JP2004186139A - Fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電解質を一組の電極で挟んで構成される電解質・電極構造体を有し、前記電解質・電極構造体と金属セパレータとを交互に積層する燃料電池に関する。 The present invention relates to a fuel cell having an electrolyte / electrode structure formed by sandwiching an electrolyte between a pair of electrodes, and alternately stacking the electrolyte / electrode structure and a metal separator.
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とからなるアノード側電極及びカソード側電極を対設した電解質膜・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)によって挟持している。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。 For example, a polymer electrolyte fuel cell employs a polymer electrolyte membrane composed of a polymer ion exchange membrane. In this fuel cell, on both sides of a solid polymer electrolyte membrane, an electrolyte membrane / electrode structure (electrolyte / electrode structure) having an anode electrode and a cathode electrode made of an electrode catalyst and porous carbon, respectively, are provided. It is sandwiched by separators (bipolar plates). Usually, a fuel cell stack in which a predetermined number of the fuel cells are stacked is used.
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は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、電子及び酸素が反応して水が生成される。 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.
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。また、セパレータ間には、冷却媒体を流すための冷却媒体流路が前記セパレータの面方向に沿って設けられている。燃料ガス流路、酸化剤ガス流路及び冷却媒体流路は、一般的にセパレータの積層方向に貫通する流路入口連通孔から流路出口連通孔に向かって設けられる複数本の流路溝を備えるとともに、この流路溝は、直線溝や折り返し流路溝で構成されている。 In the above fuel cell, a fuel gas flow path (reactive gas flow path) for flowing a fuel gas opposite to the anode electrode and an oxidizing gas for flowing the fuel gas opposite the cathode electrode are formed in the surface of the separator. Oxidant gas flow path (reaction gas flow path). Further, between the separators, a cooling medium flow path for flowing a cooling medium is provided along the surface direction of the separator. The fuel gas flow path, the oxidizing gas flow path, and the cooling medium flow path generally have a plurality of flow grooves provided from the flow path inlet communication hole penetrating in the stacking direction of the separators to the flow path outlet communication hole. In addition to this, the flow channel is formed of a straight groove or a folded flow channel.
ところが、複数本の流路溝に対して開口の小さな流路入口連通孔や流路出口連通孔が設けられる場合、前記流路溝に沿って燃料ガス、酸化剤ガス又は冷却媒体等の流体を円滑に流すために、前記流路入口連通孔や前記流路出口連通孔の周囲にバッファ部が必要になっている。 However, when a small channel inlet communication hole or a channel outlet communication hole with an opening is provided for the plurality of channel grooves, a fluid such as a fuel gas, an oxidizing gas, or a cooling medium is provided along the channel grooves. In order to flow smoothly, a buffer portion is required around the flow path inlet communication hole and the flow path outlet communication hole.
そこで、例えば、特許文献1に開示されている燃料電池のガス通路板が知られている。この従来技術では、図11に示すように、例えば、酸化剤ガス側のガス通路板1が、カーボンや金属により構成される溝部材2を備えている。ガス通路板1の上部側には、酸化剤ガスの入口マニホールド3が設けられる一方、前記ガス通路板1の下部側には、酸化剤ガスの出口マニホールド4が形成されている。
Therefore, for example, a gas passage plate of a fuel cell disclosed in
溝部材2には、入口マニホールド3に連通する入口側通流溝5aと、出口マニホールド4に連通する出口側通流溝5bと、前記入口側通流溝5aと前記出口側通流溝5bとを連通する中間通流溝6とが設けられている。入口側通流溝5a及び出口側通流溝5bは、複数の突起7aを介して格子状に形成される一方、中間通流溝6は、複数回折り返した曲折形状に形成され、複数本の直線状溝部8と、折り返し部位に複数の突起7bにより形成された格子状溝部9とを備えている。
The
このように構成される燃料電池のガス通路板1では、入口側通流溝5a及び出口側通流溝5bがバッファ部を構成しており、供給ガスの電極への接触面積が広くなるとともに、この供給ガスが自由に移動することができる一方、中間通流溝6では、複数本の直線状溝部8を介して反応ガスを高速でむらなく通流させることができる、としている。
In the
上記のガス通路板1には、このガス通路板1の裏面側に、冷却媒体を面に沿って供給するための冷却媒体流路が形成される場合がある。その際、例えば、入口マニホールド3に近接して冷却媒体の入口マニホールド3aが設けられる一方、出口マニホールド4に近接して冷却媒体の出口マニホールド4aが設けられる。そして、入口側通流溝5a及び出口側通流溝5bは、ガス通路板1の裏面側で冷却媒体を冷却媒体流路に対して供給及び排出するためのバッファ部として構成することが考えられる。
In the
しかしながら、バッファ部である入口側通流溝5a及び出口側通流溝5bは、正方形状乃至長方形状に形成されており、入口マニホールド3、3a及び出口マニホールド4、4aをガス通路板1の面内に省スペース化を図って効率的に配設することができない。これにより、ガス通路板1は、反応に使用されない面積が増大して単位面積当たりの出力密度が低下してしまい、前記ガス通路板1自体が相当に大型化するという問題がある。
However, the inlet-
本発明はこの種の問題を解決するものであり、バッファ部の形状を工夫することにより、比較的小さな面積でバッファ部として所望の機能を確保し、出力密度を良好に向上させるとともに、容易に小型化を図ることが可能な燃料電池を提供することを目的とする。 The present invention is to solve this kind of problem, and by devising the shape of the buffer section, it is possible to secure a desired function as the buffer section with a relatively small area, improve the output density satisfactorily, and easily It is an object of the present invention to provide a fuel cell that can be downsized.
本発明の燃料電池では、金属セパレータの一の面には、電極面に沿って反応ガスを供給するための反応ガス流路が設けられるとともに、前記金属セパレータの別の面には、前記別の面に沿って冷却媒体を供給するための冷却媒体流路が設けられている。 In the fuel cell of the present invention, one surface of the metal separator is provided with a reaction gas flow path for supplying a reaction gas along the electrode surface, and another surface of the metal separator includes the another surface of the metal separator. A cooling medium passage for supplying a cooling medium is provided along the surface.
金属セパレータは、略三角形状のバッファ部を備えている。その際、バッファ部は、一辺が金属セパレータの一の面で反応ガス連通孔に連通し、他の一辺が前記金属セパレータの別の面で冷却媒体連通孔に連通し、さらにその他の一辺が前記金属セパレータの両方の面で前記反応ガス流路及び前記冷却媒体流路に連通している。また、反応ガス流路には、屈曲する流路を設けることが好ましい。 The metal separator has a substantially triangular buffer portion. At that time, the buffer section has one side communicating with the reaction gas communication hole on one surface of the metal separator, the other side communicating with the cooling medium communication hole on another surface of the metal separator, and the other side having the other side. Both surfaces of the metal separator communicate with the reaction gas flow path and the cooling medium flow path. Further, it is preferable to provide a bent flow path in the reaction gas flow path.
さらに、金属セパレータが、互いに積層される第1及び第2金属プレートを備え、前記第1金属プレートは、反応ガス流路を設けるとともに、前記第2金属プレートは、前記第1金プレートとの間に却媒体流路を設けている。そして、各バッファ部は、第1及び第2金属プレートに対して、少なくとも一部が互いに重なり合うように形成されることが好ましい。 Further, the metal separator includes first and second metal plates stacked on each other, the first metal plate providing a reaction gas flow path, and the second metal plate interposed between the first metal plate and the first metal plate. Is provided with a rejection medium flow path. And each buffer part is preferably formed so that at least one part may mutually overlap with respect to a 1st and 2nd metal plate.
さらにまた、反応ガス連通孔は、少なくとも一辺に斜辺を設けるとともに、前記反応ガス連通孔の前記斜辺は、バッファ部の傾斜部に対向することが好ましい。また、バッファ部の一辺は、反応ガス流路の終端と略直交することが好ましい。 Furthermore, it is preferable that at least one side of the reaction gas communication hole is provided with a hypotenuse, and the hypotenuse of the reaction gas communication hole is opposed to the inclined portion of the buffer section. Further, it is preferable that one side of the buffer section is substantially orthogonal to the end of the reaction gas flow path.
本発明に係る燃料電池では、バッファ部が、反応ガス流路における反応ガスの分配機能と、冷却媒体流路における冷却媒体の分配機能とを有し、前記バッファ部の構成の簡素化及び小型化が図られる。さらに、バッファ部は、略三角形状に構成されるとともに、各辺を利用して良好な流路面積を確保することができる。このため、バッファ部は、正方形状乃至長方形状のバッファ部に比べて、小さい面積で所望の機能を維持することが可能になり、燃料電池全体の単位面積当たりの出力密度が有効に向上する。 In the fuel cell according to the present invention, the buffer section has a function of distributing the reaction gas in the reaction gas flow path and a function of distributing the cooling medium in the cooling medium flow path, and simplifies and reduces the size of the configuration of the buffer section. Is achieved. Further, the buffer section is formed in a substantially triangular shape, and a good flow path area can be secured by using each side. Therefore, the buffer section can maintain a desired function with a smaller area than the square or rectangular buffer section, and the output density per unit area of the entire fuel cell can be effectively improved.
図1は、本発明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。
FIG. 1 is an exploded perspective view of a main part of a
燃料電池10は、電解質膜・電極構造体(電解質・電極構造体)12と金属セパレータ13とを交互に積層して構成されるとともに、この金属セパレータ13は、互いに積層される第1及び第2金属プレート14、16を備える。
The
図1に示すように、燃料電池10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(反応ガス)、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(反応ガス連通孔)20a、冷却媒体を供給するための冷却媒体入口連通孔22a、及び燃料ガス(反応ガス)、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(反応ガス連通孔)24bが、矢印C方向(鉛直方向)に配列して設けられる。
As shown in FIG. 1, an oxidizing gas (reactive gas), for example, an oxygen-containing gas is supplied to one end of the
燃料電池10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(反応ガス連通孔)24a、冷却媒体を排出するための冷却媒体出口連通孔22b、及び酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス出口連通孔(反応ガス連通孔)20bが、矢印C方向に配列して設けられる。
The other end of the
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及びカソード側電極30とを備える。
The electrolyte membrane /
アノード側電極28及びカソード側電極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。
The anode-
図1及び図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(反応ガス流路)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に近接して設けられる略直角三角形状(略三角形状)の入口バッファ部34と、酸化剤ガス出口連通孔20bに近接して設けられる略直角三角形状(略三角形状)の出口バッファ部36とを備える。入口バッファ部34及び出口バッファ部36は、互いに略対称形状に構成されるとともに、複数のエンボス34a、36aを設ける。
As shown in FIGS. 1 and 3, an oxidizing gas flow path (reactive gas flow path) 32 is provided on a
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及び38cを介して連通している。酸化剤ガス流路溝38a〜38cは、互いに平行して矢印B方向に蛇行しながら矢印C方向に延在している。具体的には、酸化剤ガス流路溝38a〜38cとしては、例えば、2回の折り返し部位T1、T2を有して矢印B方向に一往復半のサーペンタイン流路溝が構成される。
The
図3に示すように、入口バッファ部34の鉛直部(一辺)34bは、矢印C方向に向かって配置され、酸化剤ガス流路溝38a〜38cの終端部と略直交する一方、この入口バッファ部34の傾斜部34cは、酸化剤ガス入口連通孔20aに向かって配置される。この酸化剤ガス入口連通孔20aには、四角形、平行四辺形あるいは台形等、種々の形状が選択されるとともに、前記酸化剤ガス入口連通孔20aを形成する内壁面には、入口バッファ部34に対向し且つ傾斜部34cに平行な斜辺37aが設けられる。
As shown in FIG. 3, the vertical portion (one side) 34b of the
出口バッファ部36の鉛直部(一辺)36bは、矢印C方向に向かって配置され、酸化剤ガス流路溝38a〜38cの終端部と略直交するとともに、前記酸化剤ガス流路溝38a〜38cは、鉛直部34b、36b間で略同一長さに規制される。出口バッファ部36の傾斜部36cは、酸化剤ガス出口連通孔20bに対向して配置される。この酸化剤ガス出口連通孔20bを形成する内壁面には、傾斜部36cに平行な斜辺37bが設けられる。
The vertical portion (one side) 36b of the
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及び酸化剤ガス流路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。
On the
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方向の両端近傍に設けられる、例えば、略直角三角形状(略三角形状)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方向の両端近傍に設けられる、例えば、略直角三角形状(略三角形状)の出口バッファ部48、50とを備える。
A cooling
入口バッファ部44と出口バッファ部50とは、互いに略対称形状に構成されるとともに、入口バッファ部46と出口バッファ部48とは、互いに略対称形状に構成される。入口バッファ部44、入口バッファ部46、出口バッファ部48及び出口バッファ部50は、複数のエンボス44a、46a、48a及び50aにより構成されている。
The
冷却媒体入口連通孔22aと入口バッファ部44、46とは、第1及び第2の入口連絡流路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、第1及び第2の出口連絡流路56、58を介して連通する。第1の入口連絡流路52は、例えば、2本の流路溝を備えるとともに、第2の入口連絡流路54は、例えば、6本の流路溝を備える。同様に、第1の出口連絡流路56は、6本の流路溝を設ける一方、第2の出口連絡流路58は、2本の流路溝を設ける。
The cooling medium
第1の入口連絡流路52の流路本数と第2の入口連絡流路54の流路本数とは、2本と6本とに限定されるものではなく、また、それぞれの流路本数が同一に設定されていてもよい。第1及び第2の出口連絡流路56、58においても同様である。
The number of flow paths of the first inlet
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及び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及び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。
The
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及び76と直線状流路溝68、70及び78とは、矢印C方向に断続的に延在する直線状流路溝88及び90を介して連通する。
The
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及び第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。
The cooling
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、該凸状の部分の図示は省略する。また、図6に示す面16aでも同様に、面16bに形成された後述する燃料ガス流路(反応ガス流路)96が前記面16aに凸状に突出する部分の図示は省略する。
Although the oxidizing
面14bには、冷却媒体入口連通孔22aに2本の第1の入口連絡流路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本の第2の出口連絡流路58を介して連通する出口バッファ部50とが設けられる。
The
入口バッファ部44には、酸化剤ガス流路溝38a〜38cの折り返し部位T2及び出口バッファ部36を避けるようにして、溝部60a、62a、64a及び66aが矢印B方向に沿って断続的且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の折り返し部位T1及び入口バッファ部34を避けるようにして、溝部68a、70a、72a及び74aが矢印B方向に沿って所定の位置に設けられる。
In the
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。
The
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に連通する出口バッファ部48とが設けられる。
As shown in FIG. 6, a part of the cooling
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且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。
冷却媒体流路42において、矢印B方向に延在する直線状流路溝60〜78の一部は、それぞれの溝部60a〜78a及び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4参照)。直線状流路溝80〜90は、一部を重合させてそれぞれ第1及び第2金属プレート14、16に振り分けられている。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を囲繞する線状シール40aが介装されている。
In the cooling
図1に示すように、金属セパレータ13は、第1及び第2金属プレート14、16が積層された状態で、入口バッファ部34、46の少なくとも一部が互いに重なり合う一方、出口バッファ部36、48の少なくとも一部が互いに重なり合っている。図3に示すように、第1金属プレート14の面(一の面)14aには、入口バッファ部34が、酸化剤ガス入口連通孔20aに連通する一辺である傾斜部34cと、他の一辺である短辺部34dと、酸化剤ガス流路32に連通するその他の一辺である鉛直部34bとを設ける。
As shown in FIG. 1, in a state where the first and
第2金属プレート16の面(別の面)16aは、図6に示すように、入口バッファ部46が、一辺である傾斜部46cと、他の一辺である短辺部46dと、その他の一辺である鉛直部46bとを備える。面16aでは、入口バッファ部46の短辺部46dが冷却媒体入口連通孔22aに連通するとともに、鉛直部46bが冷却媒体流路42に連通する。
As shown in FIG. 6, the surface (another surface) 16a of the
図3に示すように、第1金属プレート14の面14aには、出口バッファ部36が、酸化剤ガス出口連通孔20bに連通する一辺である傾斜部36cと、他の一辺である短辺部36dと、酸化剤ガス流路32に連通するその他の一辺である鉛直部36bとを設ける。
As shown in FIG. 3, on the
図6に示すように、第2金属プレート16の面16aには、出口バッファ部48が、一辺である傾斜部48cと、冷却媒体出口連通孔22bに連通する他の一辺である短辺部48dと、冷却媒体流路42に連通するその他の一辺である鉛直部48bとを設ける。
As shown in FIG. 6, on the
図7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に向かう面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略直角三角形状(略三角形状)の入口バッファ部98と、燃料ガス出口連通孔24bに近接して設けられる略直角三角形状(略三角形状)の出口バッファ部100とを備える。
As shown in FIG. 7, a fuel
入口バッファ部98及び出口バッファ部100は、互いに略対称形状に構成されるとともに、複数のエンボス98a、100aが設けられており、例えば、3本の燃料ガス流路溝102a、102b及び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方向に向かっており、例えば、2回の折り返し部位T3、T4が設けられて実質的に一往復半のサーペンタイン流路溝に構成される。
The
入口バッファ部98の鉛直部(一辺)98bは、矢印C方向に配置され、燃料ガス流路溝102a〜102cの終端部と略直交するとともに、傾斜部98cは、燃料ガス入口連通孔24aに向かって配置される。この燃料ガス入口連通孔24aを構成する内壁面には、傾斜部98cに対向し且つ該傾斜部98cに平行な斜辺104aが形成される。出口バッファ部100の鉛直部(一辺)100bは、矢印C方向に配置され、燃料ガス流路溝102a〜102cの終端部と略直交するとともに、傾斜部100cは、燃料ガス出口連通孔24bに対向して配置される。この燃料ガス出口連通孔24bを構成する内壁面には、傾斜部100cに平行な斜辺104bが形成される。面16bには、燃料ガス流路96を囲繞する線状シール40bが設けられる。
The vertical portion (one side) 98b of the
図5及び図7に示すように、第1金属プレート14の面(一の面)14bに形成される入口バッファ部44と、第2金属プレート16の面(他の面)16bに形成される出口バッファ部100とが重なり合う一方、前記面14bの出口バッファ部50と前記面16bの入口バッファ部98とが重なり合うように構成される。
As shown in FIGS. 5 and 7, the
入口バッファ部44及び出口バッファ部100は、それぞれ一辺である傾斜部44c、100cと、他の一辺である短辺部44d、100dと、その他の一辺である鉛直部44b、100bとを設ける。同様に、出口バッファ部50及び入口バッファ部98は、一辺である傾斜部50c、98cと、他の一辺である短辺部50d、98dと、その他の一辺である鉛直部50b、98bとを設ける。
The
このように構成される本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。
The operation of the
図1に示すように、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とともに、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。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。
As shown in FIG. 1, an oxidizing gas such as an oxygen-containing gas is supplied to the oxidizing gas
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。
The oxidizing gas is introduced into the oxidizing
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7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。
On the other hand, the fuel gas is introduced into the
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。
Therefore, in the electrolyte membrane /
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、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。同様に、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。
Next, the oxidizing gas supplied to and consumed by the
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及び第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方向に延在する第1及び第2の入口連絡流路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。
On the other hand, the cooling medium supplied to the cooling medium
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及び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及び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、さらに第1及び第2の出口連絡流路56、58を介して冷却媒体出口連通孔22bに排出される。
The cooling medium introduced into the
この場合、本実施形態では、図1に示すように、第1及び第2金属プレート14、16が積層される際に、それぞれの入口バッファ部34、46が積層方向に重なり合うとともに、前記入口バッファ部34、46が略三角形状(実質的には、略直角三角形状)に構成されている。その際、図3に示すように、第1金属プレート14の面14a(金属セパレータ13の一の面)では、入口バッファ部34の傾斜部34cが酸化剤ガス入口連通孔20aに連通するとともに、鉛直部34bが酸化剤ガス流路32に連通している。
In this case, in the present embodiment, as shown in FIG. 1, when the first and
さらに、図6に示すように、第2金属プレート16の面16a(金属セパレータ13の別の面)では、入口バッファ部46の短辺部46dが冷却媒体入口連通孔22aに連通するとともに、鉛直部46bが冷却媒体流路42に連通している。
Further, as shown in FIG. 6, on the
このように、金属セパレータ13には、入口バッファ部34、46が互いに重ね合わされてバッファ部が一体的に構成されている。このバッファ部は、酸化剤ガス流路32における酸化剤ガスの分配機能と、冷却媒体流路42における冷却媒体の分配機能とを有しており、前記バッファ部としての構成の簡素化及び小型化が容易に図られる。
As described above, the
しかも、入口バッファ部34、46は、略三角形状に構成されるとともに、各辺を利用して良好な流路面積を確保することができる。このため、例えば、図8に示すように、略長方形状の入口バッファ部110を設け、酸化剤ガス入口連通孔20aと同等の開口断面積を有する酸化剤ガス入口連通孔112を形成する場合に比べ、第1金属プレート14の幅寸法が距離Hだけ短尺化される。
In addition, the
これにより、入口バッファ部34は、入口バッファ部110に比べて小さい面積で所望の機能を維持することが可能になり、第1金属プレート14を有効に小型化することができる。従って、本実施形態では、燃料電池10全体の単位面積当たりの出力密度を有効に向上させることが可能になるという効果が得られる。
Thereby, the
また、入口バッファ部34、46の傾斜部34c、46cは、酸化剤ガス入口連通孔20aの斜辺32aに対向し且つ該斜辺37aに平行している。従って、コンパクトな構成で、酸化剤ガス入口連通孔20aの開口断面積を良好に確保することが可能になる。
The
さらに、入口バッファ部34及び出口バッファ部36の鉛直部34b、36bは、酸化剤ガス流路溝38a〜38cの終端部と略直交している。このため、入口バッファ部34から酸化剤ガス流路溝38a〜38cに酸化剤ガスを円滑に流すことができるとともに、前記酸化剤ガス流路溝38a〜38cから出口バッファ部36に前記酸化剤ガスを円滑に流すことが可能になる。
Further, the
また、図1に示すように、出口バッファ部36、48は、互いに重ね合わされて略三角形状のバッファ部を一体的に構成しており、上記の入口バッファ部34、46と同様の効果が得られる。さらに、入口バッファ部44と出口バッファ部100とが互いに重ね合わされるとともに、出口バッファ部50と入口バッファ部98とが互いに重ね合わされており、これらも上記の入口バッファ部34、46と同様の効果が得られる。
Also, as shown in FIG. 1, the
さらにまた、本実施形態では、金属セパレータ13が互いに積層される第1及び第2金属プレート14、16を備えている。従って、簡単な構成で、サーペンタイン等の所望の形状を有する酸化剤ガス流路32、燃料ガス流路96及び冷却媒体流路42を確実且つ容易に形成することができるとともに、燃料電池10全体の小型化を図ることが可能になるという利点がある。しかも、サーペンタイン流路に構成されるため、流路長が長くなり、圧損が設けられて流速の向上が図られる。
Furthermore, the present embodiment includes first and
なお、酸化剤ガス流路溝38a〜38c及び燃料ガス流路溝102a〜102cは、2回の折り返し部位を有する一往復半のサーペンタイン流路溝を構成しているが、これに限定されるものではなく、4回又は6回等の折り返し部位を有していてもよい。
The oxidizing
また、本実施形態では、略三角形状のバッファ部として、例えば、入口バッファ部34を用いて説明したが、これに限定されるものではない。図9に示す入口バッファ部120は、底辺部120a及び上辺部120bを有する略三角形状(略台形状を含む)に構成される。一方、図10に示す入口バッファ部130は、傾斜底辺部130aを有する略三角形状に構成される。
In the present embodiment, the substantially triangular buffer unit is described using, for example, the
10…燃料電池 12…電解質膜・電極構造体
13…金属セパレータ 14、16…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…酸化剤ガス流路
34、44、46、98、110、120、130…入口バッファ部
34b、36b、44b、46b、48b、50b、98b、100b…鉛直部
34c、36c、44c、46c、48c、50c、98c、100c…傾斜部
34d、36d、44d、46d、48d、50d、98d、100d…短辺部
36、48、50、100…出口バッファ部
32a、37a、37b、104a、104b…斜辺
38a〜38c…酸化剤ガス流路溝 42…冷却媒体流路
96…燃料ガス流路 102a〜102c…燃料ガス流路溝
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記金属セパレータの一の面には、電極面に沿って反応ガスを供給する反応ガス流路が設けられ、前記金属セパレータの別の面には、前記別の面に沿って冷却媒体を供給する冷却媒体流路が設けられるとともに、
前記金属セパレータは、略三角形状のバッファ部を備え、
前記バッファ部は、一辺が前記金属セパレータの一の面で前記反応ガス連通孔に連通し、他の一辺が前記金属セパレータの別の面で前記冷却媒体連通孔に連通し、さらにその他の一辺が前記金属セパレータの両方の面で前記反応ガス流路及び前記冷却媒体流路に連通することを特徴とする燃料電池。 An electrolyte / electrode structure composed of an electrolyte sandwiched between a pair of electrodes. The electrolyte / electrode structure and the metal separator are alternately stacked, and the reaction gas communication holes and the cooling holes penetrate in the stacking direction. A fuel cell in which a medium communication hole is formed,
On one surface of the metal separator, a reaction gas flow path for supplying a reaction gas along an electrode surface is provided, and on another surface of the metal separator, a cooling medium is supplied along the another surface. A cooling medium flow path is provided,
The metal separator includes a substantially triangular buffer unit,
One side of the buffer unit communicates with the reaction gas communication hole on one surface of the metal separator, the other side communicates with the cooling medium communication hole on another surface of the metal separator, and another one side A fuel cell, wherein both surfaces of the metal separator communicate with the reaction gas flow path and the cooling medium flow path.
前記第1金属プレートは、前記第2金属プレートとは反対の面に前記反応ガス流路を設けるとともに、前記第2金属プレートは、前記第1金属プレートとの間に前記却媒体流路を設け、
前記第1金属プレートに形成される略三角形状のバッファ部と、前記第2金属プレートに形成される略三角形状のバッファ部とは、積層方向に少なくとも一部が互いに重なり合うことを特徴とする燃料電池。 3. The fuel cell according to claim 1, wherein the metal separator includes first and second metal plates stacked on each other, 3.
The first metal plate provides the reaction gas flow path on a surface opposite to the second metal plate, and the second metal plate provides the reject medium flow path between the first metal plate and the first metal plate. ,
A fuel, wherein the substantially triangular buffer portion formed on the first metal plate and the substantially triangular buffer portion formed on the second metal plate at least partially overlap each other in the stacking direction. battery.
前記反応ガス連通孔の前記斜辺は、前記バッファ部の傾斜部に対向することを特徴とする燃料電池。 The fuel cell according to any one of claims 1 to 3, wherein the reaction gas communication hole has an oblique side on at least one side,
The fuel cell according to claim 1, wherein the oblique side of the reaction gas communication hole faces an inclined portion of the buffer unit.
5. The fuel cell according to claim 1, wherein one side of the buffer unit is substantially orthogonal to an end of the reaction gas flow path. 6.
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