JP2004152498A

JP2004152498A - Fuel cell

Info

Publication number: JP2004152498A
Application number: JP2002313242A
Authority: JP
Inventors: Seiji Sugiura; 誠治杉浦; Shuhei Goto; 修平後藤; Masahiro Mouri; 昌弘毛里
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2002-10-28
Filing date: 2002-10-28
Publication date: 2004-05-27
Anticipated expiration: 2022-10-28
Also published as: JP4344513B2

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To evenly flow a cooling medium in a separator surface, and to secure good power generation performance in a simple constitution. <P>SOLUTION: A separator 13 is provided with a first and a second metal plates 14 and 16 layered with each other. A cooling medium flow passage 42 is integrally arranged between the first and the second metal plates 14 and 16. The passage 42 is provided with inlet buffers 44 and 46 communicated with a cooling medium inlet communicating hole 22a, outlet buffers 48 and 50 communicated with the cooling medium outlet communicating hole 22b, and linear flow passage grooves 60-90 linearly extending in an arrow B and arrow C directions. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電解質をアノード側電極とカソード側電極とで挟んで構成される電解質・電極接合体を有し、前記電解質・電極接合体とセパレータとを交互に積層する燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜（陽イオン交換膜）からなる固体高分子電解質膜を採用している。この燃料電池は、固体高分子電解質膜の両側に、それぞれ電極触媒と多孔質カーボンからなるアノード側電極およびカソード側電極を対設して構成される電解質膜・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構成されている。通常、この燃料電池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。
【０００３】
この種の燃料電池において、アノード側電極に供給された燃料ガス（反応ガス）、例えば、主に水素を含有するガス（以下、水素含有ガスともいう）は、電極触媒上で水素がイオン化され、電解質膜を介してカソード側電極側へと移動する。その間に生じた電子が外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。なお、カソード側電極には、酸化剤ガス（反応ガス）、例えば、主に酸素を含有するガスあるいは空気（以下、酸素含有ガスともいう）が供給されているために、このカソード側電極において、水素イオン、電子および酸素が反応して水が生成される。
【０００４】
上記の燃料電池では、アノード側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）が設けられるとともに、カソード側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（反応ガス流路）が設けられている。また、アノード側セパレータとカソード側セパレータとの間には、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。
【０００５】
この種のセパレータは、通常、カーボン系材料で構成されているが、前記カーボン系材料では、強度等の要因で薄肉化が図れないという不具合が指摘されている。そこで、最近、この種のカーボン製セパレータよりも強度に優れかつ薄肉化が容易な金属薄板製のセパレータ（以下、金属セパレータともいう）を用い、この金属セパレータにプレス加工を施して所望の反応ガス流路を成形することにより、該金属セパレータの厚さの減少を図って燃料電池全体を小型化かつ軽量化する工夫がなされている（特許文献１参照）。
【０００６】
例えば、図２３に示す燃料電池１は、アノード側電極２とカソード側電極３との間に電解質膜４が介装された電解質膜・電極構造体５と、前記電解質膜・電極構造体５を挟持する一組の金属セパレータ６ａ、６ｂとを備えている。
【０００７】
金属セパレータ６ａには、アノード側電極２に対向する面に燃料ガス（例えば、水素含有ガス）を供給するための燃料ガス流路７ａが設けられる一方、金属セパレータ６ｂには、カソード側電極３に対向する面に酸化剤ガス（例えば、空気等の酸素含有ガス）を供給するための酸化剤ガス流路７ｂが設けられている。金属セパレータ６ａ、６ｂには、アノード側電極２およびカソード側電極３に当接する平坦部８ａ、８ｂが設けられるとともに、前記平坦部８ａ、８ｂの裏面（当接面とは反対の面）側に冷却媒体を流すための冷却媒体流路９ａ、９ｂが形成されている。
【０００８】
【特許文献１】
特開平８−２２２２３７号公報（段落［００１８］、図３）
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の金属セパレータ６ａ、６ｂでは、燃料ガス流路７ａおよび酸化剤ガス流路７ｂの流路形状が設定されると、必然的に冷却媒体流路９ａ、９ｂの流路形状が決まってしまう。特に、長尺なガス流路長を確保するために、燃料ガス流路７ａおよび酸化剤ガス流路７ｂを電極面内で蛇行させるサーペンタイン流路で構成する場合、冷却媒体流路９ａ、９ｂの流路形状が著しく制限されることになる。これにより、金属セパレータ６ａ、６ｂの面方向全面にわたって冷却媒体を均一に流すことができず、電極面を均一に冷却して安定した発電性能を得ることが困難になるという問題が指摘されている。
【００１０】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単な構成で、セパレータの面内に冷却媒体を均一に流すことができ、良好な発電性能を確保することが可能な燃料電池を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１に係る燃料電池では、電解質・電極接合体と交互に積層されるセパレータが、少なくとも互いに積層される第１および第２金属プレートを備えている。第１金属プレートは、アノード側電極の面方向に沿って燃料ガスを供給しかつ屈曲する流路を含む燃料ガス流路を設ける一方、第２金属プレートは、カソード側電極の面方向に沿って酸化剤ガスを供給しかつ屈曲する流路を含む酸化剤ガス流路を設けている。
【００１２】
そして、第１および第２金属プレート間には、冷却媒体入口連通孔に連通する２以上の入口バッファ部と、冷却媒体出口連通孔に連通する２以上の出口バッファ部と、セパレータ面方向に沿って延在し前記２以上の入口バッファ部と前記２以上の出口バッファ部とを連通する直線状流路溝とを備える冷却媒体流路が設けられている。
【００１３】
このため、第１および第２金属プレート間では、冷却媒体入口連通孔から２以上の入口バッファ部に冷却媒体が分割して供給された後、直線状流路溝を通って２以上の出口バッファ部に導入され、さらに冷却媒体出口連通孔に排出される。従って、冷却媒体は、セパレータ面内を均一に流れることができ、電極面を均一に冷却して安定した発電性能を得ることが可能になる。
【００１４】
また、本発明の請求項２に係る燃料電池では、第１金属プレートには、冷却媒体入口連通孔および冷却媒体出口連通孔に連通する第１入口バッファ部および第１出口バッファ部が設けられるとともに、第２金属プレートには、前記冷却媒体入口連通孔および前記冷却媒体出口連通孔に連通し、かつ前記第１入口バッファ部および前記第１出口バッファ部とは異なる位置に配置して第２入口バッファ部および第２出口バッファ部が設けられている。
【００１５】
これにより、第１および第２金属プレートは、それぞれ屈曲流路を含む燃料ガス流路および酸化剤ガス流路が設けられることによってバッファ部の配置が制約される部位を、互いに補うことができる。従って、簡単な構成で、セパレータ内に所望の形状を有する冷却媒体流路を確実に形成することが可能になる。
【００１６】
さらに、本発明の請求項３に係る燃料電池では、燃料ガス流路が、燃料ガス入口連通孔に連通する入口バッファ部と、燃料ガス出口連通孔に連通する出口バッファ部と、第１金属プレートの面方向に沿って延在し前記入口バッファ部と前記出口バッファ部を連通する屈曲流路溝とを備えている。また、酸化剤ガス流路が、酸化剤ガス入口連通孔に連通する入口バッファ部と、酸化剤ガス出口連通孔に連通する出口バッファ部と、第２金属プレートの面方向に沿って延在し前記入口バッファ部と前記出口バッファ部を連通する屈曲流路溝とを備えている。
【００１７】
このため、セパレータの面内に沿って燃料ガスおよび酸化剤ガスを円滑かつ均一に供給することができ、燃料電池の発電性能を良好に向上させることが可能になる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池１０の要部分解斜視図であり、図２は、前記燃料電池１０の一部断面説明図である。
【００１９】
燃料電池１０は、電解質膜・電極構造体１２とセパレータ１３とを交互に積層して構成されるとともに、このセパレータ１３は、互いに積層される第１および第２金属プレート１４、１６を備える。
【００２０】
図１に示すように、電解質膜・電極構造体１２とセパレータ１３の矢印Ｂ方向の一端縁部には、積層方向である矢印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入口連通孔２０ａ、冷却媒体を供給するための冷却媒体入口連通孔２２ａ、および燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出するための燃料ガス出口連通孔２４ｂが、矢印Ｃ方向（鉛直方向）に配列して設けられる。
【００２１】
電解質膜・電極構造体１２とセパレータ１３の矢印Ｂ方向の他端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを供給するための燃料ガス入口連通孔２４ａ、冷却媒体を排出するための冷却媒体出口連通孔２２ｂ、および酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス出口連通孔２０ｂが、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。
【００２２】
電解質膜・電極構造体１２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てなる固体高分子電解質膜２６と、該固体高分子電解質膜２６を挟持するアノード側電極２８およびカソード側電極３０とを備える。
【００２３】
アノード側電極２８およびカソード側電極３０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を前記ガス拡散層の表面に一様に塗布した電極触媒層とをそれぞれ有する。電極触媒層は、互いに固体高分子電解質膜２６を介装して対向するように、前記固体高分子電解質膜２６の両面に接合されている。
【００２４】
図１および図３に示すように、第１金属プレート１４の電解質膜・電極構造体１２側の面１４ａには、酸化剤ガス流路３２が設けられるとともに、この酸化剤ガス流路３２は、酸化剤ガス入口連通孔２０ａと酸化剤ガス出口連通孔２０ｂとに連通する。酸化剤ガス流路３２は、酸化剤ガス入口連通孔２０ａおよび酸化剤ガス出口連通孔２０ｂに近接して設けられる入口バッファ部３４および出口バッファ部３６を備え、前記入口バッファ部３４および前記出口バッファ部３６は、複数のエンボス３４ａ、３６ａにより構成されている。
【００２５】
入口バッファ部３４と出口バッファ部３６とは、３本の酸化剤ガス流路溝３８ａ、３８ｂおよび３８ｃを介して連通している。酸化剤ガス流路溝３８ａ〜３８ｃは、矢印Ｂ方向に蛇行しながら矢印Ｃ方向に延在しており、具体的には、２箇所のリターン部Ｔ１、Ｔ２を有して矢印Ｂ方向に一往復半の屈曲する流路を構成している。
【００２６】
第１金属プレート１４の面１４ａには、酸化剤ガス入口連通孔２０ａ、酸化剤ガス出口連通孔２０ｂおよび酸化剤ガス流路３２を覆って酸化剤ガスのシールを行う線状シール４０が設けられる。
【００２７】
第１金属プレート１４と第２金属プレート１６との互いに対向する面１４ｂ、１６ａには、冷却媒体流路４２が一体的に形成される。図４に示すように、冷却媒体流路４２は、冷却媒体入口連通孔２２ａの矢印Ｃ方向両端近傍に設けられる、例えば、２つの入口バッファ部４４、４６と、冷却媒体出口連通孔２２ｂの矢印Ｃ方向両端近傍に設けられる、例えば、２つの出口バッファ部４８、５０とを備える。入口バッファ部４４、４６および出口バッファ部４８、５０は、複数のエンボス４４ａ、４６ａ、４８ａおよび５０ａにより構成されている。
【００２８】
冷却媒体入口連通孔２２ａと入口バッファ部４４、４６とは、それぞれ２本の入口流路溝５２、５４を介して連通する一方、冷却媒体出口連通孔２２ｂと出口バッファ部４８、５０とは、それぞれ２本の出口流路溝５６、５８を介して連通する。
【００２９】
入口バッファ部４４と出口バッファ部４８とは、矢印Ｂ方向に延在する直線状流路溝６０、６２、６４および６６を介して連通するとともに、入口バッファ部４６と出口バッファ部５０とは、矢印Ｂ方向に延在する直線状流路溝６８、７０、７２および７４を介して連通する。直線状流路溝６６、６８間には、矢印Ｂ方向に所定の長さだけ延在して直線状流路溝７６、７８が設けられる。
【００３０】
直線状流路溝６０〜７４は、矢印Ｃ方向に延在する直線状流路溝８０、８２を介して連通する。直線状流路溝６２〜７８は、矢印Ｃ方向に延在する直線状流路溝８４、８６を介して連通するとともに、直線状流路溝６４、６６および７６と直線状流路溝６８、７０および７８とは、矢印Ｃ方向に断続的に延在する直線状流路溝８８および９０を介して連通する。
【００３１】
冷却媒体流路４２は、第１金属プレート１４と第２金属プレート１６とに振り分けられており、前記第１および第２金属プレート１４、１６を互いに重ね合わせることによって、前記冷却媒体流路４２が形成される。図５に示されるように、第１金属プレート１４の面１４ｂには、面１４ａ側に形成される酸化剤ガス流路３２を避けるようにして冷却媒体流路４２の一部が形成される。なお、面１４ｂには、面１４ａに形成された酸化剤ガス流路３２が凸状に突出しているが、冷却媒体流路４２を分かり易くするために、該凸状部分は図示を省略する。また、図６に示す面１６ａでも同様に、面１６ｂに形成された燃料ガス流路９６が前記面１６ａに凸状に突出する部分は図示を省略する。
【００３２】
面１４ｂには、冷却媒体入口連通孔２２ａに２本の入口流路溝５２を介して連通する入口バッファ部４４と、冷却媒体出口連通孔２２ｂに２本の出口流路溝５８を介して連通する出口バッファ部５０とが設けられる。
【００３３】
入口バッファ部４４には、酸化剤ガス流路溝３８ａ〜３８ｃのリターン部Ｔ２および出口バッファ部３６を避けるようにして、溝部６０ａ、６２ａ、６４ａおよび６６ａが矢印Ｂ方向に沿って断続的かつ所定の長さに設けられる。出口バッファ部５０には、酸化剤ガス流路溝３８ａ〜３８ｃのリターン部Ｔ１および入口バッファ部３４を避けるようにして、溝部６８ａ、７０ａ、７２ａおよび７４ａが矢印Ｂ方向に沿って所定の位置に設けられる。
【００３４】
溝部６０ａ〜７８ａは、それぞれ直線状流路溝６０〜７８の一部を構成している。直線状流路溝８０〜９０を構成する溝部８０ａ〜９０ａは、蛇行する酸化剤ガス流路溝３８ａ〜３８ｃを避けるようにして、矢印Ｃ方向にそれぞれ所定の長さにわたって設けられる。
【００３５】
図６に示すように、第２金属プレート１６の面１６ａには、後述する燃料ガス流路９６を避けるようにして冷却媒体流路４２の一部が形成される。具体的には、冷却媒体入口連通孔２２ａに連通する入口バッファ部４６と、冷却媒体出口連通孔２２ｂを構成する出口バッファ部４８とが設けられる。
【００３６】
入口バッファ部４６には、直線状流路溝６８〜７４を構成する溝部６８ｂ〜７４ｂが矢印Ｂ方向に沿って所定の長さにかつ断続的に連通する一方、出口バッファ部４８には、直線状流路溝６０〜６６を構成する溝部６０ｂ〜６６ｂが所定の形状に設定されて連通する。面１６ａには、直線状流路溝８０〜９０を構成する溝部８０ｂ〜９０ｂが矢印Ｃ方向に延在して設けられる。
【００３７】
冷却媒体流路４２では、矢印Ｂ方向に延在する直線状流路溝６０〜７８の一部がそれぞれの溝部６０ａ〜７８ａおよび６０ｂ〜７８ｂが互いに対向することにより、流路断面積を他の部分の２倍に拡大して主流路が構成されている（図４および図７参照）。直線状流路溝８０〜９４は、一部を重合させてそれぞれ第１および第２金属プレート１４、１６に振り分けられている（図８参照）。第１金属プレート１４の面１４ａと第２金属プレート１６の面１６ａとの間には、冷却媒体流路４２を囲繞して線状シール４０ａが介装されている。
【００３８】
図９に示すように、第２金属プレート１６の電解質膜・電極構造体１２側の面１６ｂには、燃料ガス流路９６が設けられる。燃料ガス流路９６は、燃料ガス入口連通孔２４ａに近接して設けられる入口バッファ部９８と、燃料ガス出口連通孔２４ｂに近接して設けられる出口バッファ部１００とを備える。
【００３９】
入口バッファ部９８および出口バッファ部１００は、複数のエンボス９８ａ、１００ａによって構成されており、例えば、３本の燃料ガス流路溝１０２ａ、１０２ｂおよび１０２ｃを介して連通する。燃料ガス流路溝１０２ａ〜１０２ｃは、矢印Ｂ方向に蛇行しながら矢印Ｃ方向に延在しており、２つのリターン部Ｔ３、Ｔ４を設けて実質的に一往復半の屈曲する流路を構成している。面１６ｂには、燃料ガス流路９６を囲繞して線状シール４０ｂが設けられる。
【００４０】
このように構成される第１の実施形態に係る燃料電池１０の動作について、以下に説明する。
【００４１】
図１に示すように、燃料ガス入口連通孔２４ａに水素含有ガス等の燃料ガスが供給されるとともに、酸化剤ガス入口連通孔２０ａに酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給される。さらに、冷却媒体入口連通孔２２ａ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。
【００４２】
酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔２０ａから第１金属プレート１４の酸化剤ガス流路３２に導入される。酸化剤ガス流路３２では、図３に示すように、酸化剤ガスが一旦入口バッファ部３４に導入された後、酸化剤ガス流路溝３８ａ〜３８ｃに分散される。このため、酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路溝３８ａ〜３８ｃを介して蛇行しながら、電解質膜・電極構造体１２のカソード側電極３０に沿って移動する。
【００４３】
一方、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔２４ａから第２金属プレート１６の燃料ガス流路９６に導入される。この燃料ガス流路９６では、図９に示すように、燃料ガスが一旦入口バッファ部９８に導入された後、燃料ガス流路溝１０２ａ〜１０２ｃに分散される。さらに、燃料ガスは、燃料ガス流路溝１０２ａ〜１０２ｃを介して蛇行し、電解質膜・電極構造体１２のアノード側電極２８に沿って移動する。
【００４４】
従って、電解質膜・電極構造体１２では、カソード側電極３０に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極２８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。
【００４５】
次いで、アノード側電極２８に供給されて消費された燃料ガスは、出口バッファ部１００から燃料ガス出口連通孔２４ｂに排出される。同様に、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、出口バッファ部３６から酸化剤ガス出口連通孔２０ｂに排出される。
【００４６】
一方、冷却媒体入口連通孔２２ａに供給された冷却媒体は、第１および第２金属プレート１４、１６間に形成された冷却媒体流路４２に導入される。この冷却媒体流路４２では、図４に示すように、冷却媒体入口連通孔２２ａから矢印Ｃ方向に延在する入口流路溝５２、５４を介して入口バッファ部４４、４６に冷却媒体が一旦導入される。
【００４７】
入口バッファ部４４、４６に導入された冷却媒体は、直線状流路溝６０〜６６および６８〜７４に分散されて水平方向（矢印Ｂ方向）に移動するとともに、その一部が直線状流路溝８０〜９０および７６、７８に供給される。従って、冷却媒体は、電解質膜・電極構造体１２の発電面全面にわたって供給された後、出口バッファ部４８、５０に一旦導入され、さらに出口流路溝５６、５８を介して冷却媒体出口連通孔２２ｂに排出される。
【００４８】
この場合、第１の実施形態では、第１および第２金属プレート１４、１６間に形成される冷却媒体流路４２が、冷却媒体入口連通孔２２ａに連通する２つの入口バッファ部４４、４６と、冷却媒体出口連通孔２２ｂに連通する２つの出口バッファ部４８、５０とを設けている。このため、冷却媒体は、冷却媒体入口連通孔２２ａから矢印Ｃ方向に分岐して入口バッファ部４４、４６に一旦導入された後、直線状流路溝６０〜９０を介して発電面方向に移動し、さらに出口バッファ部４８、５０に一旦導入されて冷却媒体出口連通孔２２ｂに排出されている。
【００４９】
これにより、冷却媒体は、セパレータ１３の面内全面に沿って均一に流れることができ、電解質膜・電極構造体１２の発電面を均一に冷却し、燃料電池１０全体として安定した発電性能を得ることができるという効果が得られる。
【００５０】
その際、第１金属プレート１４では、面１４ａ側からプレス成形される酸化剤ガス流路３２を避ける位置に対応して冷却媒体流路４２の一部が形成されている。具体的には、図３に示すように、入口バッファ部３４を避けて冷却媒体入口連通孔２２ａの下方に入口バッファ部４４が設けられるとともに、出口バッファ部３６を避けて冷却媒体出口連通孔２２ｂの上方に出口バッファ部５０が設けられる。さらに、蛇行する酸化剤ガス流路溝３８ａ〜３８ｃを避けて、それぞれ所定の形状に設定された溝部６０ａ〜９０ａが形成される（図３および図５参照）。このように、第１金属プレート１４の両方の面１４ａ、１４ｂに、それぞれ酸化剤ガス流路３２と冷却媒体流路４２とを形成することができる。
【００５１】
一方、第２金属プレート１６の面１６ａには、面１６ｂに形成される燃料ガス流路９６を避けるようにして、冷却媒体流路４２の一部が形成される。具体的には、図９に示すように、出口バッファ部１００を避けて冷却媒体入口連通孔２２ａの上方に入口バッファ部４６が設けられるとともに、入口バッファ部９８を避けて冷却媒体出口連通孔２２ｂの下方に出口バッファ部４８が設けられる。さらに、蛇行する燃料ガス流路溝１０２ａ〜１０２ｃを避けるようにして、溝部６０ｂ〜９０ｂが所定の形状に設定される（図６および図９参照）。このように、第２金属プレート１６の両方の面１６ａ、１６ｂには、それぞれ冷却媒体流路４２と燃料ガス流路９６とを形成することができる。
【００５２】
これにより、第１および第２金属プレート１４、１６は、それぞれ酸化剤ガス流路３２および燃料ガス流路９６が設けられることによって流路形状が制約される部位を、互いに補うことができる。従って、簡単な構成で、セパレータ１３内に所望の形状を有する冷却媒体流路４２を確実に形成することが可能になるという効果が得られる。
【００５３】
図１０は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池１１０の要部分解斜視図である。なお、第１の実施形態に係る燃料電池１０と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。なお、以下に示す第３〜第５の実施形態においても同様に、その詳細な説明は省略する。
【００５４】
燃料電池１１０は、電解質膜・電極構造体１２とセパレータ１１２とを交互に積層しており、前記セパレータ１１２は、互いに積層される第１および第２金属プレート１１４、１１６を備える。電解質膜・電極構造体１２とセパレータ１１２の矢印Ｂ方向の一端縁部には、酸化剤ガス入口連通孔２０ａ、冷却媒体入口連通孔２２ａおよび酸化剤ガス出口連通孔２０ｂが設けられる。電解質膜・電極構造体１２とセパレータ１１２の矢印Ｂ方向の他端縁部には、燃料ガス入口連通孔２４ａ、冷却媒体出口連通孔２２ｂおよび燃料ガス出口連通孔２４ｂが設けられる。
【００５５】
図１１に示すように、第１金属プレート１１４のカソード側電極３０側の面１１４ａには、酸化剤ガス流路１１８が設けられる。この酸化剤ガス流路１１８は、酸化剤ガス入口連通孔２０ａに２本の入口流路溝１２０を介して連通する入口バッファ部３４と、酸化剤ガス出口連通孔２０ｂに２本の出口流路溝１２２を介して連通する出口バッファ部３６とを備える。入口バッファ部３４および出口バッファ部３６は、互いに近接しており、略Ｕ字状に屈曲する酸化剤ガス流路溝１２４ａ、１２４ｂおよび１２４ｃを介して連通する。
【００５６】
第１および第２金属プレート１１４、１１６間には、冷却媒体流路１２６が形成されるとともに、前記第２金属プレート１１６のアノード側電極２８側の面１１６ａには、燃料ガス流路１２５が形成される。
【００５７】
図１２に示すように、燃料ガス流路１２５は、燃料ガス入口連通孔２４ａに２本の入口流路溝１２７を介して連通する入口バッファ部９８と、燃料ガス出口連通孔２４ｂに２本の出口流路溝１２９を介して連通する出口バッファ部１００とを備える。入口バッファ部９８および出口バッファ部１００は、互いに近接しており、略Ｕ字状に屈曲する燃料ガス流路溝１３１ａ、１３１ｂおよび１３１ｃを介して連通する。
【００５８】
図１３に示すように、冷却媒体流路１２６は、冷却媒体入口連通孔２２ａに近接して設けられる入口バッファ部４４、４６と、冷却媒体出口連通孔２２ｂに近接して設けられる出口バッファ部４８、５０とを備える。入口バッファ部４４と出口バッファ部４８とは、矢印Ｂ方向に延在する直線状流路溝１２８、１３０を介して連通する一方、入口バッファ部４６と出口バッファ部５０とは、同様に矢印Ｂ方向に延在する直線状流路溝１３２、１３４を介して連通する。
【００５９】
直線状流路溝１２８、１３４の矢印Ｃ方向外方には、直線状流路溝１３６、１３８が形成されるとともに、直線状流路溝１３０、１３２間には、直線状流路溝１４０が形成される。
【００６０】
直線状流路溝１２８〜１４０は、矢印Ｃ方向に延在する直線状流路溝１４２、１４４を介して連通し、直線状流路溝１２８〜１３４および１４０は、矢印Ｃ方向に延在する直線状流路溝１４６、１４８を介して連通する。直線状流路溝１３０、１３２および１４０は、矢印Ｃ方向に延在する直線状流路溝１５０、１５２を介して連通する。
【００６１】
図１１に示すように、第１金属プレート１１４の第２金属プレート１１６に対向する面１１４ｂには、冷却媒体出口連通孔２２ｂに連通する出口バッファ部４８、５０が設けられる。面１１４ｂには、直線状流路溝１２８〜１４０を構成する溝部１２８ａ〜１４０ａが、酸化剤ガス流路を構成する酸化剤ガス流路溝１２４ａ〜１２４ｃの屈曲部分を避けて形成される。面１１４ｂには、矢印Ｃ方向に沿って直線状流路溝１４６、１４８および１５２が形成される。
【００６２】
図１２に示すように、第２金属プレート１１６の第１金属プレート１１４に対向する面１１６ｂには、冷却媒体入口連通孔２２ａに近接して入口バッファ部４４、４６が設けられる。面１１６ｂには、直線状流路溝１２８〜１４０を構成する溝部１２８ｂ〜１４０ｂが、燃料ガス流路溝１３１ａ〜１３１ｃの屈曲部分を避けて形成される。この面１１６ｂには、矢印Ｃ方向に延在して直線状流路溝１４２、１４６および１５０が形成される。面１１４ａ、１１６ａには、線状シール４０ｃ、４０ｄが設けられるとともに、面１１４ｂ、１１６ｂ間には、図示しない線状シールが設けられている。
【００６３】
このように構成される第２の実施形態では、第１金属プレート１１４の面１１４ａには、入口バッファ部３４と出口バッファ部３６とを略Ｕ字状に屈曲する酸化剤ガス流路溝１２４ａ〜１２４ｃを介して連通する酸化剤ガス流路１１８が設けられる一方、第２金属プレート１１６の面１１６ａには、入口バッファ部９８と出口バッファ部１００とを略Ｕ字状に屈曲する燃料ガス流路溝１３１ａ〜１３１ｃを介して連通する燃料ガス流路１２５が設けられている。
【００６４】
このため、第１および第２金属プレート１１４、１１６の面１１４ｂ、１１６ｂでは、冷却媒体用の流路形状が制限されるが、それぞれの制約部分を互いに補って、前記第１および第２金属プレート１１４、１１６間には、冷却媒体流路１２６が形成されている。
【００６５】
この場合、冷却媒体流路１２６では、冷却媒体入口連通孔２２ａに連通する２つの入口バッファ部４４、４６と、冷却媒体出口連通孔２２ｂに連通する２つの出口バッファ部４８、５０とを設けることができる。これにより、セパレータ１１２の面内に沿って冷却媒体を均一に流すことが可能になり、電解質膜・電極構造体１２の電極面を均一に冷却して安定した電池性能を得ることができる等、第１の実施形態と同様の効果が得られる。
【００６６】
図１４は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池を構成する第１金属プレート１６０の正面説明図である。
【００６７】
第１金属プレート１６０の面１６０ａは、カソード側電極３０に対向しており、酸化剤ガス入口連通孔２０ａと酸化剤ガス出口連通孔２０ｂとに連通する酸化剤ガス流路１６２が設けられる。この酸化剤ガス流路１６２は、入口バッファ部３４と出口バッファ部３６とを連通する３本の酸化剤ガス流路溝１６４ａ〜１６４ｃを備え、前記酸化剤ガス流路溝１６４ａ〜１６４ｃは、矢印Ｂ方向に蛇行しながら矢印Ｃ方向に延在する。酸化剤ガス流路溝１６４ａ〜１６４ｃは、４つのリターン部を設けて矢印Ｂ方向に二往復半の流路構造に設定される。
【００６８】
図１５は、第１金属プレート１６０に積層される第２金属プレート１６６のアノード側電極２８に対向する面１６６ａの正面説明図である。
【００６９】
この面１６６ａには、燃料ガス入口連通孔２４ａと燃料ガス出口連通孔２４ｂとを連通する燃料ガス流路１６８が設けられる。燃料ガス流路１６８は、入口バッファ部９８と出口バッファ部１００とを連通する３本の燃料ガス流路溝１７０ａ〜１７０ｃを備える。燃料ガス流路溝１７０ａ〜１７０ｃは、矢印Ｂ方向に蛇行しながら矢印Ｃ方向に延在しており、４つのリターン部を有する二往復半の流路構造に設定される。
【００７０】
第１および第２金属プレート１６０、１６６間には、冷却媒体流路１７２が形成される。図１６に示すように、冷却媒体流路１７２は、冷却媒体入口連通孔２２ａに連通する入口バッファ部４４、４６と、冷却媒体出口連通孔２２ｂに連通する出口バッファ部４８、５０とを備える。入口バッファ部４４と出口バッファ部４８とは、矢印Ｂ方向に延在する４本の直線状流路溝１７４を介して連通するとともに、入口バッファ部４６と出口バッファ部５０とは、矢印Ｂ方向に延在する４本の直線状流路溝１７６を介して連通する。
【００７１】
直線状流路溝１７４、１７６間には、矢印Ｂ方向に延在して互いに平行な８本の直線状流路溝１７８が形成される。直線状流路溝１７４〜１７８は、矢印Ｃ方向に延在する２本の直線状流路溝１８０を介して一体的に連通するとともに、この直線状流路溝１７４よりも短尺な２本の直線状流路溝１８２と、さらにこの直線状流路溝１８２よりも短尺でかつ断続的な２本の直線状流路溝１８４を介して連通する。
【００７２】
冷却媒体流路１７２は、第１および第２金属プレート１６０、１６６に振り分けられる。具体的には、図１４に示すように、第１金属プレート１６０の面１６０ｂには、入口バッファ部３４および出口バッファ部３６を避ける位置に、入口バッファ部４４および出口バッファ部５０が設けられる。この面１６０ｂには、矢印Ｂ方向に延在する直線状流路溝１７４〜１７８を構成する溝部１７４ａ〜１７８ａが形成されるとともに、矢印Ｃ方向に延在する直線状流路溝１８０〜１８４を構成する溝部１８０ａ〜１８４ａが形成される。溝部１７４ａ〜１８４ａは、蛇行する酸化剤ガス流路溝１６４ａ〜１６４ｃを避けるために、所定の範囲内で形成されている。
【００７３】
図１５に示すように、第２金属プレート１６６の面１６６ｂには、出口バッファ部１００および入口バッファ部９８を避けて、入口バッファ部４６および出口バッファ部４８が設けられる。この面１６６ｂには、直線状流路溝１７４〜１８４の一部を構成する溝部１７４ｂ〜１８４ｂが、燃料ガス流路溝１７０ａ〜１７０ｃに干渉しない位置に形成される。面１６０ａ、１６６ａには、線状シール４０ｅ、４０ｆが設けられるとともに、面１６０ｂ、１６６ｂ間には、図示しない線状シールが設けられる。
【００７４】
これにより、第１および第２金属プレート１６０、１６６は、流路形状が制約される部位を互いに補うことができ、全体として所望の流路構造を有する冷却媒体流路１７２を形成することが可能になる等、第１および第２の実施形態と同様の効果が得られる。
【００７５】
しかも、酸化剤ガス流路１６２および燃料ガス流路１６８は、電極面に沿って二往復半の流路構造を採用しており、流路長が長尺化されてガス流速およびガス圧損が大きくなり、生成水の排出性能が有効に向上するという利点がある。
【００７６】
図１７は、本発明の第４の実施形態に係る燃料電池を構成する第１金属プレート１９０の正面説明図であり、図１８は、前記第１金属プレート１９０に積層される第２金属プレート１９２の正面説明図である。
【００７７】
第１金属プレート１９０のカソード側電極３０に対向する面１９０ａには、酸化剤ガス流路１９４が形成される。この酸化剤ガス流路１９４は、酸化剤ガス入口連通孔２０ａに連通する入口バッファ部１９６と、酸化剤ガス出口連通孔２０ｂに連通する出口バッファ部１９８とを備える。入口バッファ部１９６および出口バッファ部１９８は、複数のエンボス１９６ａ、１９８ａにより形成されるとともに、矢印Ｃ方向に長尺に設定される。
【００７８】
入口バッファ部１９６には、６本の酸化剤ガス流路溝２００が連通しており、前記酸化剤ガス流路溝２００は、矢印Ｂ方向に延在した後に矢印Ｃ方向に屈曲し、それぞれ２本ずつが酸化剤ガス流路溝２０２に合流して矢印Ｂ方向に延在する。各酸化剤ガス流路溝２０２は、さらに２本ずつに分岐して６本の酸化剤ガス流路溝２０４が得られ、この酸化剤ガス流路溝２０４は、矢印Ｃ方向から矢印Ｂ方向に屈曲した後、出口バッファ部１９８に連通する。
【００７９】
図１８に示すように、第２金属プレート１９２のアノード側電極２８に対向する面１９２ａには、燃料ガス流路２０６が形成される。この燃料ガス流路２０６は、燃料ガス入口連通孔２４ａに連通する入口バッファ部２０８と、燃料ガス出口連通孔２４ｂに連通する出口バッファ部２１０とを備える。入口バッファ部２０８および出口バッファ部２１０は、複数のエンボス２０８ａ、２１０ａにより形成されるとともに、矢印Ｃ方向に長尺に設定される。
【００８０】
入口バッファ部２０８には、６本の燃料ガス流路溝２１２が連通し、前記燃料ガス流路溝２１２が矢印Ｂ方向に延在した後、矢印Ｃ方向に屈曲してそれぞれ２本ずつが合流して３本の燃料ガス流路溝２１４が構成される。燃料ガス流路溝２１４は、矢印Ｂ方向に延在した後、それぞれ２本ずつに分岐して６本の燃料ガス流路溝２１６が形成され、前記燃料ガス流路溝２１６が矢印Ｃ方向に延在した後、矢印Ｂ方向に屈曲して出口バッファ部２１０に連通する。
【００８１】
第１金属プレート１９０の面１９０ｂと第２金属プレート１９２の面１９２ｂとの間には、冷却媒体流路２１８が形成される。図１９に示すように、冷却媒体流路２１８は、冷却媒体入口連通孔２２ａに連通しそれぞれ矢印Ｃ方向に長尺な２つの入口バッファ部２２０、２２２と、冷却媒体出口連通孔２２ｂに連通しそれぞれ矢印Ｃ方向に長尺な出口バッファ部２２４、２２６とを備える。入口バッファ部２２０、２２２および出口バッファ部２２４、２２６は、それぞれ複数のエンボス２２０ａ、２２２ａおよび２２４ａ、２２６ａにより構成されている。
【００８２】
入口バッファ部２２０、２２２と出口バッファ部２２４、２２６とは、それぞれ６本の直線状流路溝２２８を介して矢印Ｂ方向に直接連通する。面１９０ａには、両端が開放して矢印Ｂ方向に延在する４本の直線状流路溝２３０が設けられる。
【００８３】
入口バッファ部２２０、２２２と出口バッファ部２２４、２２６との近傍には、矢印Ｃ方向に延在して長尺な直線状流路溝２３６が２本設けられ、前記直線状流路溝２３６間には、それぞれ所定の長さを有する８本の直線状流路溝２３８が設けられる。
【００８４】
冷却媒体流路２１８は、第１および第２金属プレート１９０、１９２に振り分けられる。図１７に示すように、第１金属プレート１９０の面１９０ｂには、入口バッファ部２２０および出口バッファ部２２６が形成されるとともに、直線状流路溝２２８、２３０および２３６、２３８の一部を構成する溝部２２８ａ、２３０ａおよび２３６ａ、２３８ａが形成される。
【００８５】
図１８に示すように、第２金属プレート１９２の面１９２ｂには、入口バッファ部２３２および出口バッファ部２２４が形成されるとともに、直線状流路溝２２８、２３０および２３６、２３８の一部を構成する溝部２２８ｂ、２３０ｂおよび２３６ｂ、２３８ｂが形成される。面１９０ａ、１９２ａには、線状シール４０ｇ、４０ｈが設けられる一方、面１９０ｂ、１９２ｂ間には図示しない線状シールが設けられる。
【００８６】
このように構成される第４の実施形態では、酸化剤ガス流路１９４および燃料ガス流路２０６が溝数を６本から３本、さらに６本と変更して構成されている。このため、酸化剤ガス用の入口バッファ部２０８および出口バッファ部２１０と、燃料ガス用の入口バッファ部２２０と出口バッファ部２２６と、冷却媒体用の入口バッファ部２２０、２２２および出口バッファ部２２４、２２６とが、それぞれ矢印Ｃ方向に長尺に構成される。従って、酸化剤ガス、燃料ガスおよび冷却媒体を、一層均一かつ円滑に電極面に沿って供給することができるという効果が得られる。
【００８７】
図２０は、本発明の第５の実施形態に係る燃料電池を構成する第１金属プレート２４０の正面説明図であり、図２は、前記第１金属プレート２４０に積層される第２金属プレート２４２の正面説明図である。
【００８８】
第１金属プレート２４０のカソード側電極に対向する面２４０ａには、酸化剤ガス流路２４４が形成される。この酸化剤ガス流路２４４は、４本の酸化剤ガス流路溝２４６を備え、前記酸化剤ガス流路溝２４６が矢印Ｂ方向に一往復半だけ蛇行して入口バッファ部３４と出口バッファ部３６とを連通する。
【００８９】
図２１に示すように、第２金属プレート２４２のアノード側電極２８に対向する面２４２ａには、燃料ガス流路２４８が形成される。燃料ガス流路２４８は、３本の燃料ガス流路溝２５０を備え、前記燃料ガス流路溝２５０が矢印Ｂ方向に二往復半だけ蛇行して入口バッファ部９８と出口バッファ部１００とを連通する。
【００９０】
第１および第２金属プレート２４０、２４２間には、冷却媒体流路２５２が形成される。図２２に示すように、冷却媒体流路２５２は、冷却媒体入口連通孔２２ａに連通し、それぞれ複数のエンボス２５４ａ、２５６ａにより構成される入口バッファ部２５４、２５６と、冷却媒体出口連通孔２２ｂに連通し、それぞれ複数のエンボス２５８ａ、２６０ａにより構成される出口バッファ部２５８、２６０とを備える。
【００９１】
入口バッファ部２５４、２５６と出口バッファ部２５８、２６０とは、矢印Ｂ方向に延在するそれぞれ４本の直線状流路溝２６２により直接連通している。一端が入口バッファ部２５６に連通し、他端が出口バッファ部２６０の近傍で終端する２本の直線状流路溝２６４と、一端が出口バッファ部に２５８に連通し、他端が入口バッファ部２５４の近傍で終端する２本の直線状流路溝２６６とが設けられるとともに、両端が開放されて矢印Ｂ方向に延在する４本の直線状流路溝２６８が設けられる。
【００９２】
入口バッファ部２５４、２５６の近傍および出口バッファ部２５８、２６０の近傍には、矢印Ｃ方向に長尺に形成される直線状流路溝２７０が設けられるとともに、前記直線状流路溝２７０の間には、それぞれ矢印Ｃ方向に所定の長さに設定される８本の直線状流路溝２７２が形成される。
【００９３】
冷却媒体流路２５２は、第１および第２金属プレート２４０、２４２の互いに対向する面２４０ｂ、２４２ｂに振り分けられる。図２０に示すように、第１金属プレート２４０の面２４０ｂには、入口バッファ部２５４および出口バッファ部２６０が設けられるとともに、直線状流路溝２６２〜２７２の一部を構成する溝部２６２ａ〜２７２ａが形成される。
【００９４】
図２１に示すように、第２金属プレート２４２の面２４２ｂには、入口バッファ部２５６および出口バッファ部２５８が形成されるとともに、直線状流路溝２６２〜２７２の一部を構成する溝部２６２ｂ〜２７２ｂが形成される。面２４０ａ、２４２ａには、線状シール４０ｉ、４０ｊが設けられる一方、面２４０ｂ、２４２ｂ間には、図示しない線状シールが設けられる。
【００９５】
このように構成される第５の実施形態では、第１および第２金属プレート２４０、２４２に、それぞれ異なる流路形状を有する酸化剤ガス流路２４４および燃料ガス流路２４８が形成されていても、前記第１および第２金属プレート２４０、２４２間には、所定の形状を有する冷却媒体流路２５２を確実に形成することができるという効果が得られる。
【００９６】
なお、本発明は、前述した第１〜第５の実施形態に限定されるものではなく、例えば、冷却媒体入口連通孔２２ａおよび冷却媒体出口連通孔２２ｂに連通するそれぞれ３以上の入口バッファ部および出口バッファ部を設けてもよい。
【００９７】
【発明の効果】
本発明に係る燃料電池では、セパレータを構成する第１および第２金属プレート間には、冷却媒体入口連通孔から２以上の入口バッファ部に冷却媒体が分割して供給された後、直線状流路溝を通って２以上の出口バッファ部に導入され、さらに冷却媒体出口連通孔に排出される。従って、冷却媒体は、セパレータ面内を均一に流れることができ、電極面を均一に冷却して安定した発電性能を得ることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池の要部分解斜視図である。
【図２】前記燃料電池の一部断面説明図である。
【図３】第１金属プレートの一方の面の正面説明図である。
【図４】セパレータ内に形成される冷却媒体流路の斜視説明図である。
【図５】前記第１金属プレートの他方の面の正面説明図である。
【図６】第２セパレータの正面説明図である。
【図７】図４中、ＶＩＩ−ＶＩＩ線の断面図である。
【図８】図４中、ＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線の断面図である。
【図９】前記第２金属プレートの他方の面の正面説明図である。
【図１０】本発明の第２の実施形態に係る燃料電池の要部分解斜視図である。
【図１１】前記燃料電池を構成する第１金属プレートの正面説明図である。
【図１２】前記燃料電池を構成する第２金属プレートの正面説明図である。
【図１３】前記燃料電池を構成するセパレータ内に形成される冷却媒体流路の正面説明図である。
【図１４】本発明の第３の実施形態に係る燃料電池を構成する第１金属プレートの正面説明図である。
【図１５】前記燃料電池を構成する第２金属プレートの正面説明図である。
【図１６】前記第１および第２金属プレート間に形成される冷却媒体流路の正面説明図である。
【図１７】本発明の第４の実施形態に係る燃料電池を構成する第１金属プレートの正面説明図である。
【図１８】前記燃料電池を構成する第２金属プレートの正面説明図である。
【図１９】前記第１および第２金属プレート間に形成される冷却媒体流路の正面説明図である。
【図２０】本発明の第５の実施形態に係る燃料電池を構成する第１金属プレートの正面説明図である。
【図２１】前記燃料電池を構成する第２金属プレートの正面説明図である。
【図２２】前記第１および第２金属プレート間に形成される冷却媒体流路の正面説明図である。
【図２３】従来技術に係る燃料電池の一部断面説明図である。
【符号の説明】
１０、１１０…燃料電池１２…電解質膜・電極構造体
１３、１１２…セパレータ
１４、１６、１１４、１１６、１６０、１６６、１９０、１９２、２４０、２４２…金属プレート
２０ａ…酸化剤ガス入口連通孔２０ｂ…酸化剤ガス出口連通孔
２２ａ…冷却媒体入口連通孔２２ｂ…冷却媒体出口連通孔
２４ａ…燃料ガス入口連通孔２４ｂ…燃料ガス出口連通孔
２６…固体高分子電解質膜２８…アノード側電極
３０…カソード側電極
３２、１１８、１６２、１９４、２４４…酸化剤ガス流路
３４、４４、４６、９８、１９６、２０８、２２０、２２２、２５４、２５６…入口バッファ部
３６、４８、５０、１００、１９８、２１０、２２４、２２６、２５８、２６０…出口バッファ部
４０、４０ａ〜４０ｊ…線状シール
４２、１２６、１７２、２１８、２５２…冷却媒体流路
６０、６２、６４、６６、６８、７０、７２、７４、７６、７８、８０、８２、８４、８６、８８、９０、９４、１２８、１３０、１３２、１３４、１３６、１３８、１４０、１４２、１４４、１４６、１４８、１５０、１５２、１７４、１７６、１７８、１８０、１８２、１８４、２２８、２３０、２３６、２３８、２６２、２６４、２６６、２６８、２７０、２７２…直線状流路溝
６０ａ、６０ｂ、６２ａ、６４ａ、６６ａ、６６ｂ、６８ａ、６８ｂ、７０ａ、７２ａ、７４ａ、７４ｂ、７８ａ、７８ｂ、８０ａ、８０ｂ、９０ａ、９０ｂ、１２８ａ、１２８ｂ、１４０ａ、１４０ｂ、１７４ａ、１７４ｂ、１７８ａ、１８０ａ、１８４ａ、１８４ｂ、２２８ａ、２２８ｂ、２３０ａ、２３０ｂ、２３６ａ、２３６ｂ、２３８ａ、２３８ｂ、２６２ａ、２６２ｂ、２７２ａ、２７２ｂ…溝部
９６、１２５、１６８、２０６、２４８…燃料ガス流路[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel cell having an electrolyte-electrode assembly formed by sandwiching an electrolyte between an anode-side electrode and a cathode-side electrode, and alternately stacking the electrolyte-electrode assembly and a separator.
[0002]
[Prior art]
For example, a polymer electrolyte fuel cell employs a polymer electrolyte membrane composed of a polymer ion exchange membrane (cation exchange membrane). In this fuel cell, an electrolyte membrane / electrode structure composed of an anode electrode and a cathode electrode made of an electrode catalyst and porous carbon, respectively, is provided on both sides of a solid polymer electrolyte membrane by a separator (bipolar plate). ). Usually, a fuel cell stack in which a predetermined number of the fuel cells are stacked is used.
[0003]
In this type of fuel cell, a fuel gas (reactive gas) supplied to the anode electrode, for example, a gas mainly containing hydrogen (hereinafter, also referred to as a hydrogen-containing gas) is ionized with hydrogen on the electrode catalyst, It moves to the cathode side via the electrolyte membrane. The electrons generated during that time are taken out to an external circuit and used as DC electric energy. Note that an oxidizing gas (reactive gas), for example, a gas mainly containing oxygen or air (hereinafter, also referred to as an oxygen-containing gas) is supplied to the cathode side electrode. Hydrogen ions, electrons and oxygen react to produce water.
[0004]
In the above-described fuel cell, a fuel gas flow path (reactive gas flow path) for flowing a fuel gas is provided in the plane of the anode-side separator so as to face the anode-side electrode. An oxidizing gas flow path (reactive gas flow path) through which the oxidizing gas flows is provided so as to face the cathode-side electrode. Further, between the anode-side separator and the cathode-side separator, a cooling medium flow path for flowing a cooling medium is provided along the surface direction of the separator.
[0005]
This type of separator is usually made of a carbon-based material, but it has been pointed out that the carbon-based material cannot be made thinner due to factors such as strength. Therefore, recently, a separator made of a thin metal plate (hereinafter, also referred to as a metal separator), which has higher strength and is easily thinned than a carbon separator of this type, is subjected to press working to obtain a desired reaction gas. By forming a flow path, the thickness of the metal separator is reduced to reduce the size and weight of the entire fuel cell (see Patent Document 1).
[0006]
For example, the fuel cell 1 shown in FIG. 23 includes an electrolyte membrane / electrode structure 5 in which an electrolyte membrane 4 is interposed between an anode 2 and a cathode 3, and the electrolyte membrane / electrode 5. A pair of metal separators 6a and 6b to be sandwiched.
[0007]
The metal separator 6a is provided with a fuel gas flow path 7a for supplying a fuel gas (for example, a hydrogen-containing gas) on a surface facing the anode-side electrode 2, while the metal separator 6b is provided with a cathode-side electrode 3 An oxidizing gas channel 7b for supplying an oxidizing gas (for example, an oxygen-containing gas such as air) is provided on the facing surface. The metal separators 6a and 6b are provided with flat portions 8a and 8b which are in contact with the anode electrode 2 and the cathode electrode 3, respectively, and are provided on the back surfaces (surfaces opposite to the contact surfaces) of the flat portions 8a and 8b. Cooling medium channels 9a and 9b for flowing the cooling medium are formed.
[0008]
[Patent Document 1]
JP-A-8-222237 (paragraph [0018], FIG. 3)
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the metal separators 6a and 6b, when the flow path shapes of the fuel gas flow path 7a and the oxidizing gas flow path 7b are set, the flow path shapes of the cooling medium flow paths 9a and 9b are necessarily determined. I will. In particular, when the fuel gas flow path 7a and the oxidizing gas flow path 7b are formed of serpentine flow paths meandering in the electrode surface in order to secure a long gas flow path length, the cooling medium flow paths 9a and 9b The flow path shape will be significantly restricted. As a result, it has been pointed out that the cooling medium cannot flow uniformly over the entire surface of the metal separators 6a and 6b in the plane direction, and it is difficult to uniformly cool the electrode surfaces to obtain stable power generation performance. .
[0010]
The present invention solves this kind of problem, and provides a fuel cell that has a simple configuration, allows a cooling medium to flow uniformly in the plane of a separator, and can ensure good power generation performance. The purpose is to:
[0011]
[Means for Solving the Problems]
In the fuel cell according to claim 1 of the present invention, the separator alternately stacked with the electrolyte electrode assembly includes at least first and second metal plates stacked on each other. The first metal plate provides a fuel gas flow path including a flow path that supplies and bends the fuel gas along the surface direction of the anode-side electrode, while the second metal plate provides the fuel gas flow path along the surface direction of the cathode-side electrode. An oxidizing gas flow path including a flow path for supplying and bending the oxidizing gas is provided.
[0012]
Further, between the first and second metal plates, two or more inlet buffer portions communicating with the cooling medium inlet communication hole, two or more outlet buffer portions communicating with the cooling medium outlet communication hole, and along the separator surface direction. A cooling medium flow path is provided having a linear flow path groove extending and communicating with the two or more inlet buffer parts and the two or more outlet buffer parts.
[0013]
For this reason, between the first and second metal plates, the cooling medium is divided and supplied from the cooling medium inlet communication hole to the two or more inlet buffer portions, and then the two or more outlet buffers are passed through the linear flow channel. Into the cooling medium outlet communication hole. Therefore, the cooling medium can flow uniformly in the separator surface, and the electrode surface can be uniformly cooled to obtain stable power generation performance.
[0014]
In the fuel cell according to claim 2 of the present invention, the first metal plate is provided with a first inlet buffer portion and a first outlet buffer portion communicating with the cooling medium inlet communication hole and the cooling medium outlet communication hole. , The second metal plate communicates with the cooling medium inlet communication hole and the cooling medium outlet communication hole, and is disposed at a position different from the first inlet buffer portion and the first outlet buffer portion. A buffer section and a second exit buffer section are provided.
[0015]
Thus, the first and second metal plates can complement each other where the arrangement of the buffer section is restricted by the provision of the fuel gas flow path including the bent flow path and the oxidizing gas flow path. Therefore, it is possible to reliably form the coolant flow path having a desired shape in the separator with a simple configuration.
[0016]
Further, in the fuel cell according to claim 3 of the present invention, the fuel gas flow passage has an inlet buffer portion communicating with the fuel gas inlet communication hole, an outlet buffer portion communicating with the fuel gas outlet communication hole, and the first metal plate. And a bent flow channel that extends along the surface direction and communicates the inlet buffer portion and the outlet buffer portion. Further, the oxidizing gas passage extends along the surface direction of the second metal plate, and an inlet buffer portion communicating with the oxidizing gas inlet communication hole, an outlet buffer portion communicating with the oxidizing gas outlet communication hole. A bent channel groove communicating the inlet buffer portion and the outlet buffer portion.
[0017]
Therefore, the fuel gas and the oxidizing gas can be supplied smoothly and uniformly along the plane of the separator, and the power generation performance of the fuel cell can be improved satisfactorily.
[0018]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
FIG. 1 is an exploded perspective view of a main part of a fuel cell 10 according to a first embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a partially sectional explanatory view of the fuel cell 10.
[0019]
The fuel cell 10 is configured by alternately stacking the electrolyte membrane / electrode structure 12 and the separator 13, and the separator 13 includes first and second metal plates 14, 16 stacked on each other.
[0020]
As shown in FIG. 1, an oxidizing gas, for example, an oxygen-containing gas, is communicated with one end edge of the electrolyte membrane / electrode structure 12 and the separator 13 in the direction of arrow B in the direction of arrow A, which is a laminating direction. An oxidizing gas inlet communication hole 20a for supplying a cooling medium, a cooling medium inlet communication hole 22a for supplying a cooling medium, and a fuel gas outlet communication hole 24b for discharging a fuel gas, for example, a hydrogen-containing gas, are indicated by arrows. They are arranged in the C direction (vertical direction).
[0021]
The other end portions of the electrolyte membrane / electrode structure 12 and the separator 13 in the direction of arrow B communicate with each other in the direction of arrow A to discharge a fuel gas inlet communication hole 24a for supplying fuel gas, and discharge the cooling medium. Gas outlet communication holes 22b for discharging the oxidizing gas and oxidizing gas outlet communication holes 20b for discharging the oxidizing gas are arranged in the arrow C direction.
[0022]
The electrolyte membrane / electrode structure 12 includes, for example, a solid polymer electrolyte membrane 26 in which a thin film of perfluorosulfonic acid is impregnated with water, an anode electrode 28 and a cathode electrode sandwiching the solid polymer electrolyte membrane 26. 30.
[0023]
The anode-side electrode 28 and the cathode-side electrode 30 include a gas diffusion layer made of carbon paper or the like, and an electrode catalyst layer in which porous carbon particles having a platinum alloy supported on the surface are uniformly applied on the surface of the gas diffusion layer. Respectively. The electrode catalyst layers are joined to both surfaces of the solid polymer electrolyte membrane 26 so as to face each other with the solid polymer electrolyte membrane 26 interposed therebetween.
[0024]
As shown in FIGS. 1 and 3, an oxidizing gas flow path 32 is provided on a surface 14 a of the first metal plate 14 on the side of the electrolyte membrane / electrode structure 12. It communicates with the oxidizing gas inlet communication hole 20a and the oxidizing gas outlet communication hole 20b. The oxidizing gas passage 32 includes an inlet buffer portion 34 and an outlet buffer portion 36 provided in close proximity to the oxidizing gas inlet communication hole 20a and the oxidizing gas outlet communication hole 20b. The part 36 is constituted by a plurality of embosses 34a, 36a.
[0025]
The inlet buffer section 34 and the outlet buffer section 36 communicate with each other via three oxidant gas flow grooves 38a, 38b and 38c. The oxidizing gas flow grooves 38a to 38c extend in the direction of arrow C while meandering in the direction of arrow B, and specifically have two return portions T1 and T2 and have one return portion in the direction of arrow B. It constitutes a reciprocating half-bend flow path.
[0026]
On the surface 14a of the first metal plate 14, a linear seal 40 for covering the oxidizing gas inlet communication hole 20a, the oxidizing gas outlet communication hole 20b and the oxidizing gas flow path 32 to seal the oxidizing gas is provided. .
[0027]
A cooling medium channel 42 is integrally formed on the opposing surfaces 14b and 16a of the first metal plate 14 and the second metal plate 16. As shown in FIG. 4, the cooling medium flow path 42 is provided near both ends of the cooling medium inlet communication hole 22a in the arrow C direction, for example, two inlet buffer sections 44 and 46 and an arrow of the cooling medium outlet communication hole 22b. For example, two exit buffer units 48 and 50 are provided near both ends in the C direction. The inlet buffer units 44, 46 and the outlet buffer units 48, 50 are constituted by a plurality of embosses 44a, 46a, 48a and 50a.
[0028]
The cooling medium inlet communication hole 22a and the inlet buffer sections 44, 46 communicate with each other via two inlet flow channels 52, 54, respectively, while the cooling medium outlet communication hole 22b and the outlet buffer sections 48, 50 They communicate with each other via two outlet flow grooves 56 and 58.
[0029]
The inlet buffer unit 44 and the outlet buffer unit 48 communicate with each other through linear flow grooves 60, 62, 64, and 66 extending in the direction of arrow B, and the inlet buffer unit 46 and the outlet buffer unit 50 They communicate with each other via linear flow grooves 68, 70, 72 and 74 extending in the direction of arrow B. Between the straight flow grooves 66, 68, straight flow grooves 76, 78 are provided extending a predetermined length in the direction of arrow B.
[0030]
The straight channel grooves 60 to 74 communicate with each other via straight channel grooves 80 and 82 extending in the arrow C direction. The straight flow grooves 62 to 78 communicate with the straight flow grooves 84 and 86 extending in the direction of the arrow C, and the straight flow grooves 64, 66 and 76 and the straight flow grooves 68, 70 and 78 communicate with each other through linear flow grooves 88 and 90 intermittently extending in the direction of arrow C.
[0031]
The cooling medium flow path 42 is divided into a first metal plate 14 and a second metal plate 16, and the cooling medium flow path 42 is formed by overlapping the first and second metal plates 14, 16 with each other. It is formed. As shown in FIG. 5, a part of the cooling medium channel 42 is formed on the surface 14b of the first metal plate 14 so as to avoid the oxidizing gas channel 32 formed on the surface 14a side. Although the oxidizing gas flow path 32 formed on the surface 14a protrudes in a convex shape on the surface 14b, the convex portion is not shown in the drawing for easy understanding of the cooling medium flow path 42. Similarly, the portion of the surface 16a shown in FIG. 6 where the fuel gas flow passage 96 formed on the surface 16b protrudes from the surface 16a in a convex manner is omitted.
[0032]
The surface 14b communicates with the cooling medium inlet communication hole 22a through two inlet flow grooves 52, and the inlet buffer section 44 communicates with the cooling medium outlet communication hole 22b through two outlet flow grooves 58. An exit buffer unit 50 is provided.
[0033]
In the inlet buffer section 44, grooves 60a, 62a, 64a and 66a are intermittently and predetermined along the arrow B direction so as to avoid the return portion T2 of the oxidizing gas flow channel grooves 38a to 38c and the outlet buffer section 36. The length is provided. In the outlet buffer section 50, the grooves 68a, 70a, 72a, and 74a are positioned at predetermined positions along the arrow B direction so as to avoid the return section T1 of the oxidizing gas channel grooves 38a to 38c and the inlet buffer section 34. Provided.
[0034]
The grooves 60a to 78a form part of the linear flow grooves 60 to 78, respectively. The groove portions 80a to 90a constituting the straight flow channel grooves 80 to 90 are respectively provided over predetermined lengths in the direction of arrow C so as to avoid the meandering oxidizing gas flow channel grooves 38a to 38c.
[0035]
As shown in FIG. 6, a part of the cooling medium flow path 42 is formed on the surface 16a of the second metal plate 16 so as to avoid a fuel gas flow path 96 described later. Specifically, an inlet buffer section 46 communicating with the cooling medium inlet communication hole 22a and an outlet buffer section 48 forming the cooling medium outlet communication hole 22b are provided.
[0036]
Grooves 68b to 74b constituting the linear flow channels 68 to 74 communicate with the inlet buffer 46 at a predetermined length and intermittently in the direction of arrow B, while the outlet buffer 48 has a straight line. The groove portions 60b to 66b constituting the flow channel grooves 60 to 66 are set in a predetermined shape and communicate with each other. On the surface 16a, grooves 80b to 90b constituting the linear flow grooves 80 to 90 are provided extending in the direction of arrow C.
[0037]
In the cooling medium flow path 42, a part of the linear flow grooves 60 to 78 extending in the direction of the arrow B has their respective groove portions 60a to 78a and 60b to 78b opposed to each other, so that the flow path cross-sectional area is other than that. The main flow path is configured to be twice as large as the portion (see FIGS. 4 and 7). The straight channel grooves 80 to 94 are distributed to the first and second metal plates 14 and 16 by partially overlapping each other (see FIG. 8). A linear seal 40 a is interposed between the surface 14 a of the first metal plate 14 and the surface 16 a of the second metal plate 16 so as to surround the cooling medium channel 42.
[0038]
As shown in FIG. 9, a fuel gas flow path 96 is provided on a surface 16 b of the second metal plate 16 on the side of the electrolyte membrane / electrode structure 12. The fuel gas passage 96 includes an inlet buffer 98 provided near the fuel gas inlet communication hole 24a and an outlet buffer 100 provided near the fuel gas outlet communication hole 24b.
[0039]
The inlet buffer section 98 and the outlet buffer section 100 are constituted by a plurality of embosses 98a, 100a, and communicate with each other through, for example, three fuel gas flow grooves 102a, 102b, and 102c. The fuel gas passage grooves 102a to 102c extend in the direction of the arrow C while meandering in the direction of the arrow B, and are provided with two return portions T3 and T4 to form a substantially one-and-a-half reciprocating bending passage. are doing. A linear seal 40b is provided on the surface 16b so as to surround the fuel gas flow path 96.
[0040]
The operation of the fuel cell 10 according to the first embodiment configured as described above will be described below.
[0041]
As shown in FIG. 1, a fuel gas such as a hydrogen-containing gas is supplied to the fuel gas inlet communication hole 24a, and an oxidizing gas such as an oxygen-containing gas is supplied to the oxidizing gas inlet communication hole 20a. Further, a cooling medium such as pure water, ethylene glycol, or oil is supplied to the cooling medium inlet communication hole 22a.
[0042]
The oxidizing gas is introduced into the oxidizing gas passage 32 of the first metal plate 14 from the oxidizing gas inlet communication hole 20a. In the oxidizing gas passage 32, as shown in FIG. 3, after the oxidizing gas is once introduced into the inlet buffer portion 34, it is dispersed in the oxidizing gas passage grooves 38a to 38c. Therefore, the oxidizing gas moves along the cathode 30 of the electrolyte membrane / electrode structure 12 while meandering through the oxidizing gas flow grooves 38a to 38c.
[0043]
On the other hand, the fuel gas is introduced into the fuel gas passage 96 of the second metal plate 16 from the fuel gas inlet communication hole 24a. In the fuel gas flow channel 96, as shown in FIG. 9, after the fuel gas is once introduced into the inlet buffer 98, it is dispersed in the fuel gas flow channels 102a to 102c. Further, the fuel gas meanders through the fuel gas flow grooves 102 a to 102 c and moves along the anode 28 of the electrolyte membrane / electrode structure 12.
[0044]
Therefore, in the electrolyte membrane / electrode structure 12, the oxidizing gas supplied to the cathode 30 and the fuel gas supplied to the anode 28 are consumed by the electrochemical reaction in the electrode catalyst layer, and the power is generated. Is performed.
[0045]
Next, the fuel gas supplied to the anode 28 and consumed is discharged from the outlet buffer unit 100 to the fuel gas outlet communication hole 24b. Similarly, the oxidant gas supplied to and consumed by the cathode 30 is discharged from the outlet buffer 36 to the oxidant gas outlet communication hole 20b.
[0046]
On the other hand, the cooling medium supplied to the cooling medium inlet communication hole 22a is introduced into the cooling medium flow path 42 formed between the first and second metal plates 14 and 16. In the cooling medium flow path 42, as shown in FIG. 4, the cooling medium is temporarily supplied to the inlet buffer portions 44 and 46 via the inlet flow grooves 52 and 54 extending from the cooling medium inlet communication hole 22a in the direction of arrow C. be introduced.
[0047]
The cooling medium introduced into the inlet buffer sections 44 and 46 is dispersed in the linear flow grooves 60 to 66 and 68 to 74 and moves in the horizontal direction (the direction of arrow B), and a part of the cooling medium flows in the linear flow grooves. The grooves 80 to 90 and 76 and 78 are supplied. Therefore, after the cooling medium is supplied over the entire power generation surface of the electrolyte membrane / electrode structure 12, the cooling medium is once introduced into the outlet buffer sections 48, 50 and further through the cooling medium outlet communication holes through the outlet flow grooves 56, 58. It is discharged to 22b.
[0048]
In this case, in the first embodiment, the cooling medium flow path 42 formed between the first and second metal plates 14 and 16 has two inlet buffer portions 44 and 46 communicating with the cooling medium inlet communication holes 22a. , Two outlet buffer portions 48 and 50 communicating with the cooling medium outlet communication hole 22b. For this reason, the cooling medium branches from the cooling medium inlet communication hole 22a in the direction of arrow C and is once introduced into the inlet buffers 44 and 46, and then moves in the direction of the power generation surface via the linear flow grooves 60 to 90. Then, it is once introduced into the outlet buffer sections 48 and 50 and discharged to the cooling medium outlet communication hole 22b.
[0049]
This allows the cooling medium to flow uniformly along the entire surface of the separator 13, uniformly cools the power generation surface of the electrolyte membrane / electrode structure 12, and obtains stable power generation performance as a whole of the fuel cell 10. The effect that it can be obtained is obtained.
[0050]
At this time, in the first metal plate 14, a part of the cooling medium flow path 42 is formed corresponding to a position avoiding the oxidizing gas flow path 32 press-molded from the surface 14a side. Specifically, as shown in FIG. 3, an inlet buffer 44 is provided below the cooling medium inlet communication hole 22 a avoiding the inlet buffer 34, and the cooling medium outlet communication hole 22 b avoids the outlet buffer 36. The outlet buffer unit 50 is provided above the. Further, grooves 60a to 90a each having a predetermined shape are formed avoiding the meandering oxidizing gas flow grooves 38a to 38c (see FIGS. 3 and 5). As described above, the oxidizing gas flow path 32 and the cooling medium flow path 42 can be formed on both surfaces 14a and 14b of the first metal plate 14, respectively.
[0051]
On the other hand, a part of the cooling medium passage 42 is formed on the surface 16a of the second metal plate 16 so as to avoid the fuel gas passage 96 formed on the surface 16b. Specifically, as shown in FIG. 9, the inlet buffer 46 is provided above the cooling medium inlet communication hole 22 a avoiding the outlet buffer 100, and the cooling medium outlet communication hole 22 b avoids the inlet buffer 98. An outlet buffer section 48 is provided below the bottom. Further, the grooves 60b to 90b are set in a predetermined shape so as to avoid the meandering fuel gas flow grooves 102a to 102c (see FIGS. 6 and 9). Thus, the cooling medium flow path 42 and the fuel gas flow path 96 can be formed on both surfaces 16a and 16b of the second metal plate 16, respectively.
[0052]
Thus, the first and second metal plates 14 and 16 can complement each other in a portion where the flow path shape is restricted by the provision of the oxidizing gas flow path 32 and the fuel gas flow path 96. Therefore, the effect that the cooling medium channel 42 having a desired shape can be reliably formed in the separator 13 with a simple configuration is obtained.
[0053]
FIG. 10 is an exploded perspective view of a main part of a fuel cell 110 according to the second embodiment of the present invention. The same components as those of the fuel cell 10 according to the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and a detailed description thereof will be omitted. Note that the detailed description of the third to fifth embodiments described below is also omitted.
[0054]
In the fuel cell 110, the electrolyte membrane / electrode structure 12 and the separator 112 are alternately stacked, and the separator 112 includes first and second metal plates 114 and 116 stacked on each other. An oxidizing gas inlet communication hole 20a, a cooling medium inlet communication hole 22a, and an oxidizing gas outlet communication hole 20b are provided at one edge of the electrolyte membrane / electrode structure 12 and the separator 112 in the direction of arrow B. At the other end of the electrolyte membrane / electrode structure 12 and the separator 112 in the direction of arrow B, a fuel gas inlet communication hole 24a, a cooling medium outlet communication hole 22b, and a fuel gas outlet communication hole 24b are provided.
[0055]
As shown in FIG. 11, an oxidizing gas channel 118 is provided on a surface 114 a of the first metal plate 114 on the side of the cathode 30. The oxidizing gas flow path 118 includes an inlet buffer section 34 that communicates with the oxidizing gas inlet communication hole 20a via two inlet flow grooves 120, and two outlet flow paths that communicate with the oxidizing gas outlet communication hole 20b. And an outlet buffer unit 36 that communicates via the groove 122. The inlet buffer section 34 and the outlet buffer section 36 are close to each other and communicate with each other via oxidant gas flow grooves 124a, 124b, and 124c that are bent in a substantially U shape.
[0056]
A cooling medium passage 126 is formed between the first and second metal plates 114 and 116, and a fuel gas passage 125 is formed on a surface 116 a of the second metal plate 116 on the side of the anode 28. Is done.
[0057]
As shown in FIG. 12, the fuel gas passage 125 has an inlet buffer 98 communicating with the fuel gas inlet communication hole 24a via two inlet passage grooves 127, and two fuel gas outlet communication holes 24b. An outlet buffer unit 100 communicating with the outlet channel 129 is provided. The inlet buffer section 98 and the outlet buffer section 100 are close to each other and communicate with each other via fuel gas flow grooves 131a, 131b, and 131c that are bent in a substantially U shape.
[0058]
As shown in FIG. 13, the cooling medium flow path 126 includes inlet buffer sections 44 and 46 provided near the cooling medium inlet communication hole 22a and an outlet buffer section 48 provided near the cooling medium outlet communication hole 22b. , 50. The inlet buffer unit 44 and the outlet buffer unit 48 communicate with each other through linear flow grooves 128 and 130 extending in the direction of arrow B, while the inlet buffer unit 46 and the outlet buffer unit 50 similarly communicate with the arrow B. They communicate with each other via linear flow grooves 132 and 134 extending in the direction.
[0059]
Linear flow grooves 136, 138 are formed outside the linear flow grooves 128, 134 in the direction of arrow C, and a linear flow groove 140 is formed between the linear flow grooves 130, 132. It is formed.
[0060]
The straight flow grooves 128 to 140 communicate with each other via straight flow grooves 142 and 144 extending in the direction of arrow C, and the straight flow grooves 128 to 134 and 140 extend in the direction of arrow C. They communicate with each other via the straight channel grooves 146 and 148. The straight flow grooves 130, 132, and 140 communicate with each other via straight flow grooves 150, 152 extending in the direction of arrow C.
[0061]
As shown in FIG. 11, outlet buffers 48 and 50 are provided on a surface 114 b of the first metal plate 114 facing the second metal plate 116 and communicate with the cooling medium outlet communication holes 22 b. On the surface 114b, grooves 128a to 140a forming the linear flow grooves 128 to 140 are formed avoiding bent portions of the oxidizing gas flow grooves 124a to 124c forming the oxidizing gas flow path. On the surface 114b, linear flow grooves 146, 148 and 152 are formed along the direction of arrow C.
[0062]
As shown in FIG. 12, on the surface 116b of the second metal plate 116 facing the first metal plate 114, inlet buffer portions 44 and 46 are provided near the cooling medium inlet communication hole 22a. On the surface 116b, grooves 128b to 140b forming the linear flow grooves 128 to 140 are formed avoiding the bent portions of the fuel gas flow grooves 131a to 131c. On this surface 116b, straight channel grooves 142, 146 and 150 are formed extending in the direction of arrow C. Linear seals 40c and 40d are provided on the surfaces 114a and 116a, and a linear seal (not shown) is provided between the surfaces 114b and 116b.
[0063]
In the second embodiment configured as described above, the surface 114a of the first metal plate 114 has the oxidant gas passage grooves 124a to 124b formed by bending the inlet buffer portion 34 and the outlet buffer portion 36 into a substantially U-shape. An oxidizing gas flow channel 118 communicating with the second metal plate 116 is provided on the surface 116a of the second metal plate 116. The fuel gas flow channel is formed by bending the inlet buffer 98 and the outlet buffer 100 into a substantially U-shape. A fuel gas flow path 125 communicating with the grooves 131a to 131c is provided.
[0064]
For this reason, although the shape of the flow path for the cooling medium is limited on the surfaces 114b and 116b of the first and second metal plates 114 and 116, the respective restriction portions are complemented by each other, and the first and second metal plates 114 and 116 are supplemented with each other. A cooling medium passage 126 is formed between 114 and 116.
[0065]
In this case, in the coolant passage 126, two inlet buffer portions 44 and 46 communicating with the coolant inlet communication hole 22a and two outlet buffer portions 48 and 50 communicating with the coolant outlet communication hole 22b are provided. Can be. This makes it possible to uniformly flow the cooling medium along the surface of the separator 112, and to uniformly cool the electrode surface of the electrolyte membrane / electrode structure 12 to obtain stable battery performance. The same effects as in the first embodiment can be obtained.
[0066]
FIG. 14 is an explanatory front view of a first metal plate 160 configuring a fuel cell according to the third embodiment of the present invention.
[0067]
The surface 160a of the first metal plate 160 faces the cathode-side electrode 30, and is provided with an oxidizing gas passage 162 that communicates with the oxidizing gas inlet communication hole 20a and the oxidizing gas outlet communication hole 20b. The oxidizing gas passage 162 includes three oxidizing gas passage grooves 164a to 164c communicating the inlet buffer portion 34 and the outlet buffer portion 36, and the oxidizing gas passage grooves 164a to 164c are indicated by arrows. It extends in the direction of arrow C while meandering in the direction B. The oxidizing gas channel grooves 164a to 164c are provided with four return portions, and are set to have a two-and-a-half reciprocating channel structure in the direction of arrow B.
[0068]
FIG. 15 is an explanatory front view of a surface 166a of the second metal plate 166 that is stacked on the first metal plate 160 and faces the anode 28.
[0069]
The surface 166a is provided with a fuel gas flow path 168 that connects the fuel gas inlet communication hole 24a and the fuel gas outlet communication hole 24b. The fuel gas channel 168 includes three fuel gas channel grooves 170a to 170c that communicate the inlet buffer 98 and the outlet buffer 100. The fuel gas passage grooves 170a to 170c extend in the direction of the arrow C while meandering in the direction of the arrow B, and are set in a two-and-a-half reciprocating passage structure having four return portions.
[0070]
A cooling medium passage 172 is formed between the first and second metal plates 160 and 166. As shown in FIG. 16, the cooling medium flow path 172 includes inlet buffer sections 44, 46 communicating with the cooling medium inlet communication hole 22a, and outlet buffer sections 48, 50 communicating with the cooling medium outlet communication hole 22b. The inlet buffer section 44 and the outlet buffer section 48 communicate with each other via four linear flow grooves 174 extending in the direction of arrow B, and the inlet buffer section 46 and the outlet buffer section 50 communicate with each other in the direction of arrow B. Communicate with each other via four linear flow grooves 176 extending in the direction.
[0071]
Eight parallel flow passage grooves 178 extending in the direction of arrow B and parallel to each other are formed between the straight flow passage grooves 174 and 176. The linear flow grooves 174 to 178 are integrally connected via two linear flow grooves 180 extending in the direction of arrow C, and are two shorter than the linear flow grooves 174. It communicates with the linear flow channel 182 via two linear flow channels 184 that are shorter and intermittent than the linear flow channel 182.
[0072]
The cooling medium passage 172 is distributed to the first and second metal plates 160 and 166. Specifically, as shown in FIG. 14, on the surface 160b of the first metal plate 160, the entrance buffer unit 44 and the exit buffer unit 50 are provided at positions avoiding the entrance buffer unit 34 and the exit buffer unit 36. On this surface 160b, grooves 174a to 178a forming linear flow grooves 174 to 178 extending in the direction of arrow B are formed, and linear flow grooves 180 to 184 extending in the direction of arrow C are formed. Constituting groove portions 180a to 184a are formed. The grooves 174a to 184a are formed within a predetermined range in order to avoid the meandering oxidant gas flow grooves 164a to 164c.
[0073]
As shown in FIG. 15, the entrance buffer unit 46 and the exit buffer unit 48 are provided on the surface 166 b of the second metal plate 166, avoiding the exit buffer unit 100 and the entrance buffer unit 98. On this surface 166b, groove portions 174b to 184b that constitute a part of the linear flow grooves 174 to 184 are formed at positions that do not interfere with the fuel gas flow grooves 170a to 170c. Linear seals 40e and 40f are provided on the surfaces 160a and 166a, and a linear seal (not shown) is provided between the surfaces 160b and 166b.
[0074]
Thereby, the first and second metal plates 160 and 166 can complement each other where the flow path shape is restricted, and can form the cooling medium flow path 172 having a desired flow path structure as a whole. For example, the same effects as those of the first and second embodiments can be obtained.
[0075]
Moreover, the oxidizing gas flow path 162 and the fuel gas flow path 168 adopt a two-and-a-half reciprocating flow path structure along the electrode surface, and the flow path length is elongated, so that the gas flow rate and gas pressure loss are large. Thus, there is an advantage that the discharge performance of generated water is effectively improved.
[0076]
FIG. 17 is an explanatory front view of a first metal plate 190 constituting a fuel cell according to a fourth embodiment of the present invention, and FIG. 18 is a second metal plate 192 laminated on the first metal plate 190. FIG.
[0077]
An oxidizing gas channel 194 is formed on a surface 190 a of the first metal plate 190 facing the cathode electrode 30. The oxidizing gas passage 194 includes an inlet buffer 196 communicating with the oxidizing gas inlet communicating hole 20a and an outlet buffer 198 communicating with the oxidizing gas outlet communicating hole 20b. The entrance buffer section 196 and the exit buffer section 198 are formed by a plurality of embossments 196a and 198a, and are set to be long in the direction of arrow C.
[0078]
Six oxidizing gas flow grooves 200 communicate with the inlet buffer 196. The oxidizing gas flow grooves 200 extend in the direction of the arrow B and then bend in the direction of the arrow C. Each book merges into the oxidizing gas channel groove 202 and extends in the direction of arrow B. Each oxidizing gas flow channel groove 202 is further branched into two to obtain six oxidizing gas flow channel grooves 204. The oxidizing gas flow channel grooves 204 move from the arrow C direction to the arrow B direction. After being bent, it communicates with the outlet buffer section 198.
[0079]
As shown in FIG. 18, a fuel gas flow path 206 is formed on a surface 192a of the second metal plate 192 facing the anode 28. The fuel gas flow path 206 includes an inlet buffer 208 communicating with the fuel gas inlet communication hole 24a and an outlet buffer 210 communicating with the fuel gas outlet communication hole 24b. The entrance buffer unit 208 and the exit buffer unit 210 are formed by a plurality of embosses 208a and 210a, and are set to be long in the direction of arrow C.
[0080]
Six fuel gas passage grooves 212 communicate with the inlet buffer section 208. After the fuel gas passage grooves 212 extend in the direction of arrow B, they are bent in the direction of arrow C to join two each. Thus, three fuel gas passage grooves 214 are formed. After extending in the direction of arrow B, the fuel gas flow channel groove 214 is branched into two each to form six fuel gas flow channel grooves 216, and the fuel gas flow channel groove 216 is moved in the direction of arrow C. After extending, it bends in the direction of arrow B and communicates with the outlet buffer 210.
[0081]
A cooling medium flow path 218 is formed between the surface 190b of the first metal plate 190 and the surface 192b of the second metal plate 192. As shown in FIG. 19, the cooling medium flow path 218 communicates with the cooling medium inlet communication hole 22a, and communicates with two inlet buffer sections 220, 222 which are long in the direction of arrow C, and the cooling medium outlet communication hole 22b. Exit buffer parts 224 and 226 which are long in the direction of arrow C are provided. The inlet buffer sections 220, 222 and the outlet buffer sections 224, 226 are respectively constituted by a plurality of embosses 220a, 222a and 224a, 226a.
[0082]
The inlet buffer sections 220 and 222 and the outlet buffer sections 224 and 226 are in direct communication with each other in the direction of arrow B via six linear flow grooves 228, respectively. The surface 190a is provided with four straight channel grooves 230 that are open at both ends and extend in the direction of arrow B.
[0083]
In the vicinity of the inlet buffer sections 220 and 222 and the outlet buffer sections 224 and 226, two long linear flow grooves 236 extending in the direction of arrow C are provided. Are provided with eight straight flow channel grooves 238 each having a predetermined length.
[0084]
The cooling medium flow path 218 is distributed to the first and second metal plates 190, 192. As shown in FIG. 17, an inlet buffer section 220 and an outlet buffer section 226 are formed on the surface 190b of the first metal plate 190, and constitute a part of the linear flow channels 228, 230 and 236, 238. Groove portions 228a, 230a and 236a, 238a are formed.
[0085]
As shown in FIG. 18, an inlet buffer portion 232 and an outlet buffer portion 224 are formed on a surface 192b of the second metal plate 192, and a part of the linear flow grooves 228, 230 and 236, 238 is formed. Grooves 228b, 230b and 236b, 238b are formed. Linear seals 40g and 40h are provided on the surfaces 190a and 192a, and a linear seal (not shown) is provided between the surfaces 190b and 192b.
[0086]
In the fourth embodiment configured as described above, the number of grooves of the oxidizing gas flow path 194 and the fuel gas flow path 206 is changed from six to three, and further to six. Therefore, the inlet buffer unit 208 and the outlet buffer unit 210 for the oxidizing gas, the inlet buffer unit 220 and the outlet buffer unit 226 for the fuel gas, and the inlet buffer units 220, 222 and the outlet buffer unit 224 for the cooling medium. 226 are elongated in the direction of arrow C. Therefore, an effect is obtained that the oxidizing gas, the fuel gas, and the cooling medium can be more uniformly and smoothly supplied along the electrode surface.
[0087]
FIG. 20 is an explanatory front view of a first metal plate 240 constituting a fuel cell according to a fifth embodiment of the present invention. FIG. 2 is a second metal plate 242 laminated on the first metal plate 240. FIG.
[0088]
An oxidant gas channel 244 is formed on a surface 240a of the first metal plate 240 facing the cathode-side electrode. The oxidizing gas passage 244 includes four oxidizing gas passage grooves 246, and the oxidizing gas passage grooves 246 meander one and a half times in the direction of arrow B to form the inlet buffer portion 34 and the outlet buffer portion. And 36.
[0089]
As shown in FIG. 21, a fuel gas flow path 248 is formed on a surface 242a of the second metal plate 242 facing the anode 28. The fuel gas flow channel 248 includes three fuel gas flow channels 250, and the fuel gas flow channels 250 meander two and a half times in the direction of arrow B to communicate the inlet buffer section 98 and the outlet buffer section 100. I do.
[0090]
A cooling medium passage 252 is formed between the first and second metal plates 240 and 242. As shown in FIG. 22, the cooling medium flow path 252 communicates with the cooling medium inlet communication hole 22a, and is connected to the inlet buffer portions 254 and 256 each formed by a plurality of embosses 254a and 256a and the cooling medium outlet communication hole 22b. An outlet buffer unit 258, 260 that is in communication with and includes a plurality of embosses 258a, 260a, respectively.
[0091]
The inlet buffer sections 254, 256 and the outlet buffer sections 258, 260 are in direct communication with each other by four linear flow grooves 262 extending in the direction of arrow B. One end communicates with the inlet buffer 256, the other end terminates in the vicinity of the outlet buffer 260, two linear flow grooves 264, one end communicates with the outlet buffer 258, and the other end engages the inlet buffer Two linear flow grooves 266 ending near 254 are provided, and four linear flow grooves 268 open in both ends and extending in the direction of arrow B are provided.
[0092]
In the vicinity of the inlet buffer portions 254 and 256 and in the vicinity of the outlet buffer portions 258 and 260, there are provided linear flow grooves 270 formed in the direction of arrow C, and between the linear flow grooves 270. , Eight linear flow grooves 272 each having a predetermined length in the direction of arrow C are formed.
[0093]
The cooling medium flow path 252 is distributed to opposing surfaces 240b, 242b of the first and second metal plates 240, 242. As shown in FIG. 20, an inlet buffer portion 254 and an outlet buffer portion 260 are provided on a surface 240b of the first metal plate 240, and grooves 262a to 272a forming a part of the linear flow channels 262 to 272. Is formed.
[0094]
As shown in FIG. 21, an inlet buffer portion 256 and an outlet buffer portion 258 are formed on a surface 242 b of the second metal plate 242, and the groove portions 262 b to 242 constituting a part of the linear flow channels 262 to 272 are formed. 272b is formed. Linear seals 40i and 40j are provided on the surfaces 240a and 242a, and a linear seal (not shown) is provided between the surfaces 240b and 242b.
[0095]
In the fifth embodiment configured as described above, even if the oxidizing gas flow path 244 and the fuel gas flow path 248 having different flow path shapes are formed in the first and second metal plates 240 and 242, respectively. Thus, an effect is obtained that a cooling medium passage 252 having a predetermined shape can be reliably formed between the first and second metal plates 240 and 242.
[0096]
The present invention is not limited to the above-described first to fifth embodiments. For example, three or more inlet buffer portions each communicating with the cooling medium inlet communication hole 22a and the cooling medium outlet communication hole 22b, and An exit buffer may be provided.
[0097]
【The invention's effect】
In the fuel cell according to the present invention, after the cooling medium is divided and supplied from the cooling medium inlet communication hole to the two or more inlet buffers between the first and second metal plates constituting the separator, the fuel flows in a straight line. The air is introduced into the two or more outlet buffers through the passage groove, and further discharged to the cooling medium outlet communication hole. Therefore, the cooling medium can flow uniformly in the separator surface, and the electrode surface can be uniformly cooled to obtain stable power generation performance.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an exploded perspective view of a main part of a fuel cell according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a partially sectional explanatory view of the fuel cell.
FIG. 3 is an explanatory front view of one surface of a first metal plate.
FIG. 4 is an explanatory perspective view of a cooling medium passage formed in a separator.
FIG. 5 is an explanatory front view of the other surface of the first metal plate.
FIG. 6 is an explanatory front view of a second separator.
FIG. 7 is a sectional view taken along line VII-VII in FIG.
FIG. 8 is a sectional view taken along line VIII-VIII in FIG.
FIG. 9 is an explanatory front view of the other surface of the second metal plate.
FIG. 10 is an exploded perspective view of a main part of a fuel cell according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 11 is an explanatory front view of a first metal plate constituting the fuel cell.
FIG. 12 is an explanatory front view of a second metal plate constituting the fuel cell.
FIG. 13 is an explanatory front view of a cooling medium channel formed in a separator constituting the fuel cell.
FIG. 14 is an explanatory front view of a first metal plate constituting a fuel cell according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 15 is an explanatory front view of a second metal plate constituting the fuel cell.
FIG. 16 is an explanatory front view of a cooling medium passage formed between the first and second metal plates.
FIG. 17 is an explanatory front view of a first metal plate constituting a fuel cell according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 18 is an explanatory front view of a second metal plate constituting the fuel cell.
FIG. 19 is an explanatory front view of a cooling medium passage formed between the first and second metal plates.
FIG. 20 is an explanatory front view of a first metal plate constituting a fuel cell according to a fifth embodiment of the present invention.
FIG. 21 is an explanatory front view of a second metal plate constituting the fuel cell.
FIG. 22 is an explanatory front view of a cooling medium passage formed between the first and second metal plates.
FIG. 23 is a partially sectional explanatory view of a fuel cell according to a conventional technique.
[Explanation of symbols]
10, 110: fuel cell 12: electrolyte membrane / electrode structure
13, 112 ... separator
14, 16, 114, 116, 160, 166, 190, 192, 240, 242 ... metal plate
20a: Oxidizing gas inlet communication hole 20b: Oxidizing gas outlet communication hole
22a: Cooling medium inlet communication hole 22b: Cooling medium outlet communication hole
24a: fuel gas inlet communication hole 24b: fuel gas outlet communication hole
26: solid polymer electrolyte membrane 28: anode side electrode
30 ... Cathode side electrode
32, 118, 162, 194, 244 ... oxidant gas flow path
34, 44, 46, 98, 196, 208, 220, 222, 254, 256...
36, 48, 50, 100, 198, 210, 224, 226, 258, 260...
40, 40a-40j ... linear seal
42, 126, 172, 218, 252 ... cooling medium flow path
60, 62, 64, 66, 68, 70, 72, 74, 76, 78, 80, 82, 84, 86, 88, 90, 94, 128, 130, 132, 134, 136, 138, 140, 142, 144, 146, 148, 150, 152, 174, 176, 178, 180, 182, 184, 228, 230, 236, 238, 262, 264, 266, 268, 270, 272...
60a, 60b, 62a, 64a, 66a, 66b, 68a, 68b, 70a, 72a, 74a, 74b, 78a, 78b, 80a, 80b, 90a, 90b, 128a, 128b, 140a, 140b, 174a, 174b, 178a, 180a, 184a, 184b, 228a, 228b, 230a, 230b, 236a, 236b, 238a, 238b, 262a, 262b, 272a, 272b ... groove
96, 125, 168, 206, 248 ... fuel gas flow path

Claims

An electrolyte-electrode assembly composed of an electrolyte sandwiched between an anode electrode and a cathode electrode, wherein the electrolyte-electrode assembly and the separator are alternately stacked, and the fuel gas inlet penetrates in the stacking direction. A fuel cell in which a communication hole, an oxidizing gas inlet communication hole, a cooling medium inlet communication hole, a fuel gas outlet communication hole, an oxidizing gas outlet communication hole and a cooling medium outlet communication hole are formed,
The separator includes at least first and second metal plates stacked on each other,
The first metal plate provides a fuel gas flow path including a flow path that supplies and bends a fuel gas along a surface direction of the anode-side electrode, while the second metal plate includes a fuel gas flow path including a surface of the cathode-side electrode. Along with providing an oxidizing gas flow path including a flow path that supplies and bends the oxidizing gas along the direction,
Between the first and second metal plates, two or more inlet buffer portions communicating with the cooling medium inlet communication hole, two or more outlet buffer portions communicating with the cooling medium outlet communication hole, and in a separator surface direction. A fuel cell, wherein a cooling medium flow path is provided, the cooling medium flow path extending along the two or more inlet buffer portions and the linear flow channel connecting the two or more outlet buffer portions.

2. The fuel cell according to claim 1, wherein the first metal plate is provided with a first inlet buffer portion and a first outlet buffer portion communicating with the cooling medium inlet communication hole and the cooling medium outlet communication hole, and
The second metal plate has a second inlet buffer which communicates with the cooling medium inlet communication hole and the cooling medium outlet communication hole and is arranged at a position different from the first inlet buffer portion and the first outlet buffer portion. And a second outlet buffer unit.

3. The fuel cell according to claim 1, wherein the fuel gas passage includes an inlet buffer unit that communicates with the fuel gas inlet communication hole,
An outlet buffer unit communicating with the fuel gas outlet communication hole,
A bent channel groove extending along the surface direction of the first metal plate and communicating the inlet buffer section and the outlet buffer section;
With
The oxidizing gas flow path, an inlet buffer portion communicating with the oxidizing gas inlet communication hole,
An outlet buffer unit communicating with the oxidant gas outlet communication hole,
A bent channel groove extending along the surface direction of the second metal plate and communicating the inlet buffer section and the outlet buffer section;
A fuel cell comprising: