JP2006278247A - Fuel cell - Google Patents

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Naoki Mitsuda
直樹 満田
Teruyuki Otani
輝幸 大谷
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    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To enable to exhaust water surely from a reaction gas flow passage so that an excellent power generation performance can be secured by a simple and economical constitution. <P>SOLUTION: A fuel cell 10 is provided with first and second metal separators 14, 16 which pinch an electrolyte membrane/electrode structure 12. The first metal separator 14 is installed with an oxidizer gas flow passage 30 that is communicated with an oxidizer gas inlet communicating hole 24a and an oxidizer gas outlet communicating hole 24b, while on the wall face of the oxidizer gas flow passage 30, a plurality of projection parts 34 are integrally molded by press molding in order to obstruct formation of droplets of formed water. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、電解質の両側に一対の電極が設けられた電解質・電極構造体と金属セパレータとが積層され、前記電解質・電極構造体と前記金属セパレータとの間には、電極面に沿って反応ガスを供給する反応ガス流路が形成される燃料電池に関する。   In the present invention, an electrolyte / electrode structure provided with a pair of electrodes on both sides of an electrolyte and a metal separator are laminated, and a reaction occurs along the electrode surface between the electrolyte / electrode structure and the metal separator. The present invention relates to a fuel cell in which a reaction gas flow path for supplying gas is formed.

例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる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(電極触媒層)と多孔質カーボン(拡散層)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・電極構造体を、セパレータ(バイポーラ板)によって挟持する発電セルにより構成されている。通常、燃料電池は、この発電セルを所定の数だけ積層した燃料電池スタックとして使用されている。   For example, a solid polymer fuel cell employs a solid polymer electrolyte membrane made of a polymer ion exchange membrane. This fuel cell has an electrolyte membrane / electrode structure in which an anode side electrode and a cathode side electrode each made of an electrode catalyst (electrode catalyst layer) and porous carbon (diffusion layer) are provided on both sides of a solid polymer electrolyte membrane. The power generation cell is sandwiched between separators (bipolar plates). Usually, a fuel cell is used as a fuel cell stack in which a predetermined number of power generation cells are stacked.

上記の燃料電池では、アノード側電極及びカソード側電極に、それぞれ反応ガスである酸化剤ガス及び燃料ガスを供給するため、電解質膜・電極構造体と各セパレータとの間には、複数の流路溝を有する酸化剤ガス流路及び燃料ガス流路(反応ガス流路)が形成されている。   In the fuel cell described above, an oxidant gas and a fuel gas, which are reaction gases, are supplied to the anode side electrode and the cathode side electrode, respectively. Therefore, a plurality of flow paths are provided between the electrolyte membrane / electrode structure and each separator. An oxidant gas channel and a fuel gas channel (reactive gas channel) having a groove are formed.

ところで、酸化剤ガス流路には、発電(反応)時に生成される反応生成水が滞留して滞留水が存在する場合がある。一方、燃料ガス流路には、生成水の逆拡散や結露等による滞留水が発生するおそれがある。これにより、酸化剤ガス流路や燃料ガス流路が滞留水によって縮小又は閉塞され易くなるとともに、低温時に前記滞留水の凍結が惹起され、酸化剤ガスや燃料ガスの流れが妨げられて発電性能が低下するという問題がある。   By the way, in the oxidant gas flow path, the reaction product water generated at the time of power generation (reaction) may stay, and the stay water may exist. On the other hand, there is a possibility that stagnant water may be generated in the fuel gas flow path due to reverse diffusion or dew condensation of generated water. As a result, the oxidant gas flow path and the fuel gas flow path are easily reduced or blocked by the staying water, and freezing of the staying water is caused at a low temperature, and the flow of the oxidant gas and the fuel gas is hindered. There is a problem that decreases.

そこで、例えば、特許文献1に開示された燃料電池用セパレータとその製法が知られている。この従来技術では、燃料電池用セパレータにブラスト処理を行ってガス流路面に凹凸を形成した後、フッ素含有ガスのプラズマ照射を施してフッ素含有カーボン層が形成されている。さらに、ガス流路面以外のフッ素含有カーボン層を除去することにより、凹凸によって撥水効果が増大したフッ素含有カーボン層を有するガス流路面が得られる、としている。   Thus, for example, a fuel cell separator disclosed in Patent Document 1 and a manufacturing method thereof are known. In this prior art, a fuel cell separator is blasted to form irregularities on the gas flow path surface, and then a fluorine-containing gas plasma is irradiated to form a fluorine-containing carbon layer. Furthermore, by removing the fluorine-containing carbon layer other than the gas channel surface, a gas channel surface having a fluorine-containing carbon layer whose water-repellent effect is increased by unevenness is obtained.

特開2003−123780号公報(図1)JP2003-123780A (FIG. 1)

しかしながら、上記の従来技術では、ブラスト処理、プラズマ照射及び不要なフッ素含有カーボン層の除去が行われており、作業が繁雑で且つ時間を要してしまい、効率的ではないという問題がある。   However, in the above-described conventional technology, blasting, plasma irradiation, and removal of an unnecessary fluorine-containing carbon layer are performed, and there is a problem that the operation is complicated and time-consuming and is not efficient.

本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単且つ経済的な構成で、反応ガス流路から確実に排水することができ、効率的な発電を行うことが可能な燃料電池を提供することを目的とする。   The present invention solves this type of problem, and provides a fuel cell capable of reliably draining from a reaction gas flow path and capable of efficient power generation with a simple and economical configuration. For the purpose.

本発明は、電解質の両側に一対の電極が設けられた電解質・電極構造体と金属セパレータとが積層され、前記電解質・電極構造体と前記金属セパレータとの間には、電極面に沿って反応ガスを供給する反応ガス流路が形成される燃料電池である。   In the present invention, an electrolyte / electrode structure provided with a pair of electrodes on both sides of an electrolyte and a metal separator are laminated, and a reaction occurs along the electrode surface between the electrolyte / electrode structure and the metal separator. It is a fuel cell in which a reaction gas flow path for supplying gas is formed.

反応ガス流路は、複数の流路溝を有するとともに、前記流路溝を形成する壁面には、プレス成形により凹形状部、凸形状部又は凹凸形状部を有する変形面が一体成形されている。   The reaction gas channel has a plurality of channel grooves, and the wall surface forming the channel grooves is integrally formed with a deformed surface having a concave part, a convex part or an uneven part by press molding. .

また、電解質・電極構造体及び金属セパレータは、水平方向に積層されるとともに、変形面は、少なくとも流路溝を形成する溝底面及び溝側面であることが好ましい。さらに、変形面には、粗面化処理が施されることが好ましく、さらにまた、前記変形面には、親水性処理が施されることが好ましい。   The electrolyte / electrode structure and the metal separator are stacked in the horizontal direction, and the deformation surfaces are preferably at least a groove bottom surface and a groove side surface that form a flow channel groove. Further, the deformation surface is preferably subjected to a roughening treatment, and the deformation surface is preferably subjected to a hydrophilic treatment.

本発明によれば、反応ガス流路を構成する流路溝の壁面には、プレス成形により凹形状部、凸形状部又は凹凸形状部を有する変形面が一体成形されている。このため、流路溝内では、変形面の作用下に水の表面張力を良好に破壊することができ、孤立した水滴が形成されることを阻止して水の移動抵抗を低減し、円滑且つ確実な排水処理が遂行可能になる。   According to the present invention, a deformed surface having a concave shape portion, a convex shape portion, or an uneven shape portion is integrally formed by press molding on the wall surface of the flow channel groove that constitutes the reaction gas flow channel. For this reason, in the channel groove, the surface tension of water can be satisfactorily broken under the action of the deformed surface, preventing the formation of isolated water droplets, reducing the resistance to water movement, Reliable wastewater treatment can be performed.

しかも、変形面は、平坦面に比べて排水速度を低減させる機能を有する。従って、水は、反応ガス流路から反応ガス出口に向かって連続して排出され、前記水が孤立して表面張力を発生させることがなく、排水性の向上が容易に遂行される。   Moreover, the deformed surface has a function of reducing the drainage speed as compared with the flat surface. Therefore, water is continuously discharged from the reaction gas flow path toward the reaction gas outlet, and the water is not isolated and does not generate surface tension, so that the drainage can be easily improved.

これにより、反応ガス流路に滞留水による閉塞等が惹起されることがなく、簡単な構成で、安定した発電電圧を確実に得ることが可能になるとともに、滞留水の凍結が惹起されることがなく、特に低温始動性が良好に向上する。   As a result, the reaction gas flow path is not clogged with stagnant water, and it is possible to reliably obtain a stable power generation voltage with a simple configuration and to cause freezing of stagnant water. In particular, the low temperature startability is improved satisfactorily.

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の一部断面図である。   FIG. 1 is an exploded perspective view of a main part of a fuel cell 10 according to the first embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a partial cross-sectional view of the fuel cell 10.

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、第1及び第2金属セパレータ14、16とを、水平方向(矢印A方向)に積層しており、通常、燃料電池スタックとして使用される。第1及び第2金属セパレータ14、16は、薄板状の金属プレートにプレス成形処理を施すことにより構成される。   The fuel cell 10 is formed by laminating an electrolyte membrane / electrode structure (electrolyte / electrode structure) 12 and first and second metal separators 14 and 16 in the horizontal direction (arrow A direction). Used as a battery stack. The first and second metal separators 14 and 16 are configured by subjecting a thin metal plate to a press molding process.

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た固体高分子電解質膜18と、該固体高分子電解質膜18を挟持するカソード側電極20及びアノード側電極22とを備える。   The electrolyte membrane / electrode structure 12 includes, for example, a solid polymer electrolyte membrane 18 in which a thin film of perfluorosulfonic acid is impregnated with water, and a cathode side electrode 20 and an anode side electrode 22 that sandwich the solid polymer electrolyte membrane 18. With.

カソード側電極20及びアノード側電極22は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層(図示せず)と、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子を前記ガス拡散層の表面に一様に塗布して形成される電極触媒層(図示せず)とを有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜18の両面に形成される。   The cathode side electrode 20 and the anode side electrode 22 are uniformly coated on the surface of the gas diffusion layer with a gas diffusion layer (not shown) made of carbon paper or the like and porous carbon particles carrying a platinum alloy supported on the surface. An electrode catalyst layer (not shown). The electrode catalyst layers are formed on both surfaces of the solid polymer electrolyte membrane 18.

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、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24a、及び燃料ガス、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26b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 oxidant for supplying an oxidant gas, for example, an oxygen-containing gas, to one end edge of the fuel cell 10 in the direction of arrow B and communicating with each other in the direction of arrow A which is the stacking direction A gas inlet communication hole 24a and a fuel gas outlet communication hole 26b for discharging a fuel gas, for example, a hydrogen-containing gas, are arranged in an arrow C direction (vertical direction).

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26a、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24bが、矢印C方向に配列して設けられる。   The other end edge of the fuel cell 10 in the direction of arrow B communicates with each other in the direction of arrow A, a fuel gas inlet communication hole 26a for supplying fuel gas, and an oxidant gas for discharging oxidant gas. Outlet communication holes 24b are arranged in the direction of arrow C.

燃料電池10の矢印C方向下端には、冷却媒体を供給するための冷却媒体入口連通孔28aが2つ設けられるとともに、前記燃料電池10の矢印C方向上端には、冷却媒体を排出するための冷却媒体出口連通孔28bが2つ設けられる。   Two cooling medium inlet communication holes 28a for supplying a cooling medium are provided at the lower end in the direction of arrow C of the fuel cell 10, and at the upper end of the fuel cell 10 in the direction of arrow C for discharging the cooling medium. Two cooling medium outlet communication holes 28b are provided.

図1及び図2に示すように、第1金属セパレータ14の電解質膜・電極構造体12に向かう面14aには、酸化剤ガス流路(反応ガス流路)30が設けられる。酸化剤ガス流路30は、複数の酸化剤ガス流路溝30aを有し、前記酸化剤ガス流路溝30aは、矢印B方向に1往復半だけ折り返すサーペンタイン流路を構成する。なお、サーペタイン流路に代えて、略U字状の湾曲流路や矢印B方向に向かう直線状流路を採用してもよい。   As shown in FIGS. 1 and 2, an oxidant gas flow path (reactive gas flow path) 30 is provided on the surface 14 a of the first metal separator 14 facing the electrolyte membrane / electrode structure 12. The oxidant gas flow path 30 has a plurality of oxidant gas flow path grooves 30a, and the oxidant gas flow path groove 30a constitutes a serpentine flow path that is folded back and forth by one reciprocal half in the direction of arrow B. In place of the serpentine channel, a substantially U-shaped curved channel or a linear channel directed in the direction of arrow B may be employed.

図1及び図3に示すように、酸化剤ガス流路30と酸化剤ガス入口連通孔24aとの間には、複数のエンボス(又はディンプル)を有する入口バッファ部32aが設けられる。酸化剤ガス流路30と酸化剤ガス出口連通孔24bとの間には、複数のエンボス(又はディンプル)を有する出口バッファ部32bが設けられる。   As shown in FIGS. 1 and 3, an inlet buffer portion 32a having a plurality of embosses (or dimples) is provided between the oxidant gas flow path 30 and the oxidant gas inlet communication hole 24a. An outlet buffer portion 32b having a plurality of embosses (or dimples) is provided between the oxidant gas flow path 30 and the oxidant gas outlet communication hole 24b.

図2及び図3に示すように、酸化剤ガス流路30の壁面には、複数の円筒状突起部(凸形状部)34がプレス成形により一体成形される。具体的には、図2に示すように、酸化剤ガス流路溝30aの壁面を形成する溝底面30a1、溝側面30a2及び溝上面30a3の中、少なくとも前記溝底面30a1及び前記溝側面30a2は、プレス成形により複数の突起部34を有する変形面を構成する。   As shown in FIGS. 2 and 3, a plurality of cylindrical protrusions (convex portions) 34 are integrally formed on the wall surface of the oxidant gas flow path 30 by press molding. Specifically, as shown in FIG. 2, at least the groove bottom surface 30a1 and the groove side surface 30a2 among the groove bottom surface 30a1, the groove side surface 30a2, and the groove upper surface 30a3 that form the wall surface of the oxidant gas flow channel groove 30a are A deformed surface having a plurality of protrusions 34 is formed by press molding.

なお、溝上面30a3には、必要に応じて複数の突起部34を設けてもよい。また、入口バッファ部32a及び出口バッファ部32bにも、同様に複数の突起部34を設けてもよい。突起部34は、直径が0.1mm〜5mmで且つ互いに5mm以下ずつ離間して設けられる。   A plurality of protrusions 34 may be provided on the groove upper surface 30a3 as necessary. Similarly, a plurality of protrusions 34 may be provided on the inlet buffer portion 32a and the outlet buffer portion 32b. The protrusions 34 are provided with a diameter of 0.1 mm to 5 mm and separated from each other by 5 mm or less.

少なくとも突起部34が一体成形された溝底面30a1及び溝側面30a2には、研磨やエッチング等により粗面化処理が施されることが好ましい。さらに、少なくとも溝底面30a1及び溝側面30a2には、親水性処理が施されることが好ましい。   It is preferable that at least the groove bottom surface 30a1 and the groove side surface 30a2 in which the protrusions 34 are integrally formed are roughened by polishing, etching, or the like. Furthermore, it is preferable that at least the groove bottom surface 30a1 and the groove side surface 30a2 are subjected to hydrophilic treatment.

親水性処理としては、例えば、親水性物質を液状媒体に混在させた溶液を、溝底面30a1及び溝側面30a2に接触させることにより、あるいは、有機化合物又は無機化合物からなる親水性塗膜を、前記溝底面30a1及び前記溝側面30a2に形成することにより行われる他、公知の種々の方法が適用される。親水性は、水滴と物質表面との接触角により表わされ、例えば、90度以下の接触角に設定される。   As the hydrophilic treatment, for example, by bringing a solution in which a hydrophilic substance is mixed in a liquid medium into contact with the groove bottom surface 30a1 and the groove side surface 30a2, or a hydrophilic coating film made of an organic compound or an inorganic compound, In addition to the formation of the groove bottom surface 30a1 and the groove side surface 30a2, various known methods are applied. The hydrophilicity is represented by a contact angle between the water droplet and the substance surface, and is set to a contact angle of 90 degrees or less, for example.

図4に示すように、第2金属セパレータ16の電解質膜・電極構造体12に向かう面16aには、燃料ガス流路(反応ガス流路)36が設けられる。燃料ガス流路36は、酸化剤ガス流路30と同様に、矢印B方向に1往復半だけ折り返すサーペンタイン流路を構成する複数の燃料ガス流路溝36aを有する。   As shown in FIG. 4, a fuel gas channel (reactive gas channel) 36 is provided on the surface 16 a of the second metal separator 16 facing the electrolyte membrane / electrode structure 12. Similar to the oxidant gas flow path 30, the fuel gas flow path 36 has a plurality of fuel gas flow path grooves 36 a that constitute a serpentine flow path that is folded back and forth in the direction of arrow B by one halfway.

燃料ガス流路36と燃料ガス入口連通孔26aとの間には、複数のエンボス(又はディンプル)を有する入口バッファ部38aが設けられる。燃料ガス流路36と燃料ガス出口連通孔26bとの間には、複数のエンボス(又はディンプル)を有する出口バッファ部38bが設けられる。   Between the fuel gas passage 36 and the fuel gas inlet communication hole 26a, an inlet buffer portion 38a having a plurality of embosses (or dimples) is provided. An outlet buffer portion 38b having a plurality of embosses (or dimples) is provided between the fuel gas flow path 36 and the fuel gas outlet communication hole 26b.

燃料ガス流路36の壁面には、複数の円筒状突起部(凸形状部)40がプレス成形により一体成形される。具体的には、図2に示すように、燃料ガス流路溝36aの壁面を形成する溝底面36a1、溝側面36a2及び溝上面36a3の中、少なくとも前記溝底面36a1及び前記溝側面36a2は、プレス成形により複数の突起部40を有する変形面を構成する。なお、溝上面36a3、入口バッファ部38a及び出口バッファ部38bには、必要に応じて複数の突起部40を設けてもよい。この突起部40は、上記の突起部34と同様に構成されており、その詳細な説明は省略する。   A plurality of cylindrical protrusions (convex portions) 40 are integrally formed on the wall surface of the fuel gas flow path 36 by press molding. Specifically, as shown in FIG. 2, at least the groove bottom surface 36a1 and the groove side surface 36a2 of the groove bottom surface 36a1, the groove side surface 36a2, and the groove upper surface 36a3 that form the wall surface of the fuel gas flow channel groove 36a are pressed. A deformed surface having a plurality of protrusions 40 is formed by molding. The groove upper surface 36a3, the inlet buffer portion 38a, and the outlet buffer portion 38b may be provided with a plurality of protrusions 40 as necessary. The protrusion 40 is configured in the same manner as the protrusion 34 described above, and a detailed description thereof is omitted.

図1及び図2に示すように、第1金属セパレータ14の面14bと第2金属セパレータ16の面16bとには、冷却媒体入口連通孔28aと冷却媒体出口連通孔28bとを連通する冷却媒体流路42が形成される。この冷却媒体流路42は、冷却媒体を鉛直上方向に流通させる。   As shown in FIGS. 1 and 2, the cooling medium that communicates the cooling medium inlet communication hole 28 a and the cooling medium outlet communication hole 28 b with the surface 14 b of the first metal separator 14 and the surface 16 b of the second metal separator 16. A flow path 42 is formed. The cooling medium channel 42 allows the cooling medium to flow vertically upward.

第1金属セパレータ14の面14a、14bには、この第1金属セパレータ14の外周端部を周回して第1シール部材44が一体成形される。第2金属セパレータ16の面16a、16bには、この第2金属セパレータ16の外周端部を周回して第2シール部材46が一体成形される。   A first seal member 44 is integrally formed on the surfaces 14 a and 14 b of the first metal separator 14 around the outer peripheral end of the first metal separator 14. A second seal member 46 is integrally formed on the surfaces 16 a and 16 b of the second metal separator 16 around the outer peripheral end of the second metal separator 16.

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

図1に示すように、酸化剤ガス入口連通孔24a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26a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28aに純水やエチレングリコール等の冷却媒体が供給される。   As shown in FIG. 1, an oxidant gas such as an oxygen-containing gas is supplied to the oxidant gas inlet communication hole 24a, and a fuel gas such as a hydrogen-containing gas is supplied to the fuel gas inlet communication hole 26a. Further, a cooling medium such as pure water or ethylene glycol is supplied to the cooling medium inlet communication hole 28a.

酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔24aから第1金属セパレータ14の酸化剤ガス流路30に導入される。酸化剤ガス流路30では、酸化剤ガスが一旦入口バッファ部32aに導入された後、複数の酸化剤ガス流路溝30aに分散される。このため、酸化剤ガスは、電解質膜・電極構造体12のカソード側電極20に沿って蛇行しながら移動する。   The oxidant gas is introduced into the oxidant gas flow path 30 of the first metal separator 14 from the oxidant gas inlet communication hole 24a. In the oxidant gas flow channel 30, the oxidant gas is once introduced into the inlet buffer portion 32a and then dispersed in the plurality of oxidant gas flow channel grooves 30a. Therefore, the oxidant gas moves while meandering along the cathode side electrode 20 of the electrolyte membrane / electrode structure 12.

一方、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔26aから第2金属セパレータ16の燃料ガス流路36に導入される。この燃料ガス流路36では、図4に示すように、燃料ガスが一旦入口バッファ部38aに導入された後、複数の燃料ガス流路溝36aに分散される。これにより、燃料ガスは、電解質膜・電極構造体12のアノード側電極22に沿って蛇行しながら移動する。   On the other hand, the fuel gas is introduced into the fuel gas flow path 36 of the second metal separator 16 from the fuel gas inlet communication hole 26a. In the fuel gas channel 36, as shown in FIG. 4, the fuel gas is once introduced into the inlet buffer 38a and then dispersed in the plurality of fuel gas channel grooves 36a. As a result, the fuel gas moves while meandering along the anode electrode 22 of the electrolyte membrane / electrode structure 12.

従って、電解質膜・電極構造体12では、カソード側電極20に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極22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 / electrode structure 12, the oxidant gas supplied to the cathode side electrode 20 and the fuel gas supplied to the anode side electrode 22 are consumed by an electrochemical reaction in the electrode catalyst layer to generate power. Is done.

次いで、カソード側電極20に供給されて消費された酸化剤ガスは、出口バッファ部32bから酸化剤ガス出口連通孔24bに排出されるとともに(図1参照)、アノード側電極22に供給されて消費された燃料ガスは、出口バッファ部38bから燃料ガス出口連通孔26bに排出される(図4参照)。   Next, the oxidant gas consumed by being supplied to the cathode side electrode 20 is discharged from the outlet buffer portion 32b to the oxidant gas outlet communication hole 24b (see FIG. 1) and is also supplied to the anode side electrode 22 and consumed. The fuel gas thus discharged is discharged from the outlet buffer portion 38b to the fuel gas outlet communication hole 26b (see FIG. 4).

一方、冷却媒体入口連通孔28aに供給された冷却媒体は、第1及び第2金属セパレータ14、16間に形成された冷却媒体流路42に導入される(図1参照)。この冷却媒体流路42では、冷却媒体が鉛直上方向に移動する。従って、冷却媒体は、電解質膜・電極構造体12の電極面全面にわたって冷却した後、冷却媒体出口連通孔28bに排出される。   On the other hand, the cooling medium supplied to the cooling medium inlet communication hole 28a is introduced into the cooling medium flow path 42 formed between the first and second metal separators 14 and 16 (see FIG. 1). In the cooling medium flow path 42, the cooling medium moves vertically upward. Therefore, the cooling medium is cooled over the entire electrode surface of the electrolyte membrane / electrode structure 12 and then discharged to the cooling medium outlet communication hole 28b.

この場合、第1の実施形態では、例えば、第1金属セパレータ14の面14aにおいて、酸化剤ガス流路30の壁面には、プレス成形によって複数の突起部34が一体成形されている。このため、発電(反応)時に、酸化剤ガス流路30を構成する各酸化剤ガス流路溝30aに沿って生成される水分は、突起部34を介して表面張力が破壊される。従って、酸化剤ガス流路溝30a内では、孤立した水滴が形成されることを阻止することができ、水の移動抵抗を低減して円滑且つ確実な排水処理が遂行可能になるという効果が得られる。   In this case, in the first embodiment, for example, on the surface 14a of the first metal separator 14, a plurality of protrusions 34 are integrally formed on the wall surface of the oxidant gas flow path 30 by press molding. For this reason, the surface tension of the water generated along each oxidant gas flow channel groove 30 a constituting the oxidant gas flow channel 30 during power generation (reaction) is destroyed via the protrusions 34. Therefore, in the oxidant gas flow channel groove 30a, it is possible to prevent the formation of isolated water droplets, and it is possible to reduce the movement resistance of water and to perform smooth and reliable drainage treatment. It is done.

しかも、複数の突起部34が設けられる変形面である溝底面30a1及び溝側面30a2では、平坦面に比べて排水速度を低減させることができる。これにより、水は、酸化剤ガス流路溝30aから酸化剤ガス出口連通孔24bに向かって連続して排出され、前記水が孤立して表面張力を発生させることがなく、排水性の向上が容易に遂行される。   Moreover, in the groove bottom surface 30a1 and the groove side surface 30a2, which are deformed surfaces on which the plurality of protrusions 34 are provided, the drainage rate can be reduced compared to the flat surface. As a result, water is continuously discharged from the oxidant gas channel groove 30a toward the oxidant gas outlet communication hole 24b, and the water is not isolated and does not generate surface tension, thereby improving drainage. Easy to carry out.

さらに、酸化剤ガス流路溝30aでは、特に滞留水が発生し易い溝底面30a1及び溝側面30a2を変形面として構成することにより、排水性が一層確実に遂行されるという利点がある。   Further, the oxidant gas flow channel groove 30a has an advantage that drainage is more reliably performed by configuring the groove bottom surface 30a1 and the groove side surface 30a2 that are particularly likely to generate stagnant water as deformed surfaces.

さらにまた、溝底面30a1及び溝側面30a2には、粗面化処理が施されており、水滴の発生を一層確実に阻止することが可能になる。また、溝底面30a1及び溝側面30a2には、親水性処理が施されており、水滴化の阻止を図るとともに、連続した水の流れが惹起して排水性の向上が一層容易に図られる。   Furthermore, the groove bottom surface 30a1 and the groove side surface 30a2 are subjected to a roughening process, and it becomes possible to more reliably prevent the generation of water droplets. Further, the groove bottom surface 30a1 and the groove side surface 30a2 are subjected to hydrophilic treatment to prevent the formation of water droplets, and a continuous flow of water is caused to improve drainage more easily.

これにより、第1の実施形態では、酸化剤ガス流路30に滞留水による閉塞等が惹起することがなく、簡単な構成で、安定した発電電圧を確実に得ることが可能になるとともに、滞留水の凍結を阻止して低温始動性の向上を図ることができる。   As a result, in the first embodiment, the oxidant gas flow path 30 is not clogged with stagnant water, and a stable power generation voltage can be reliably obtained with a simple configuration. It is possible to prevent the water from freezing and improve the cold startability.

さらに、酸化剤ガス流路溝30a側に突出する複数の突起部34が設けられることにより、この酸化剤ガス流路溝30aを流動する酸化剤ガスに乱流が惹起し、電解質膜・電極構造体12への酸化剤ガスの供給が良好に行われる。一方、冷却媒体流路42では、面14b側に突起部34の裏側に対応して多数の凹形状部が設けられるため、表面積が増大して第1金属セパレータ14の冷却効率が一層有効に図られるという利点がある。   Further, by providing a plurality of protrusions 34 projecting toward the oxidant gas flow channel groove 30a, turbulence is induced in the oxidant gas flowing through the oxidant gas flow channel groove 30a, and the electrolyte membrane / electrode structure The supply of the oxidant gas to the body 12 is favorably performed. On the other hand, in the cooling medium flow path 42, a large number of concave-shaped portions are provided on the surface 14b side corresponding to the back side of the protrusions 34, so that the surface area is increased and the cooling efficiency of the first metal separator 14 is more effectively improved. There is an advantage that

また、燃料ガス流路36においても同様に、複数の突起部40が設けられており、上述した酸化剤ガス流路30と同様の効果が得られる。   Similarly, the fuel gas flow path 36 is provided with a plurality of protrusions 40, and the same effect as that of the oxidant gas flow path 30 described above can be obtained.

図5は、本発明の第2の実施形態に係る燃料電池を構成する第1金属セパレータ50の正面説明図である。なお、第1の実施形態に係る燃料電池10を構成する第1金属セパレータ14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。また、以下に説明する第3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。   FIG. 5 is an explanatory front view of the first metal separator 50 constituting the fuel cell according to the second embodiment of the present invention. In addition, the same referential mark is attached | subjected to the component same as the 1st metal separator 14 which comprises the fuel cell 10 which concerns on 1st Embodiment, and the detailed description is abbreviate | omitted. Similarly, in the third embodiment described below, detailed description thereof is omitted.

酸化剤ガス流路30には、複数の円筒状突起部(凸形状部)52がプレス成形により一体成形される。突起部52は、酸化剤ガス流路30の上流側端部54aから下流側端部54bに向かって、粗から密になるように設けられている。特に多量の水が発生し易い下流側端部54bでは、多数の突起部52が設けられている。   A plurality of cylindrical protrusions (convex portions) 52 are integrally formed in the oxidant gas flow path 30 by press molding. The protrusion 52 is provided so as to become denser from the upstream end 54 a to the downstream end 54 b of the oxidant gas flow path 30. In particular, a large number of protrusions 52 are provided at the downstream end 54b where a large amount of water is likely to be generated.

このように、第2の実施形態では、酸化剤ガス流路30内における生成水の量に応じて、突起部52の配置が粗密に設定される。このため、酸化剤ガスの円滑な流れを維持しつつ、生成水を確実に酸化剤ガス出口連通孔24bに排出することができるという効果が得られる。   Thus, in the second embodiment, the arrangement of the protrusions 52 is set roughly according to the amount of generated water in the oxidant gas flow path 30. For this reason, the effect that the generated water can be reliably discharged to the oxidant gas outlet communication hole 24b while maintaining a smooth flow of the oxidant gas is obtained.

図6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金属セパレータ60の正面説明図である。   FIG. 6 is an explanatory front view of the first metal separator 60 constituting the fuel cell according to the third embodiment of the present invention.

第1金属セパレータ60では、酸化剤ガス流路30に複数の円筒状突起部(凸形状部)62がプレス成形により一体成形される。酸化剤ガス流路30は、上流部64a、中流部64b及び下流部64cを備え、前記上流部64aには、突起部62が粗に配置される一方、前記下流部64cには、前記突起部62が密に配置され、前記中流部64bには、これらの中間の粗密状態で配置されている。   In the first metal separator 60, a plurality of cylindrical protrusions (convex portions) 62 are integrally formed in the oxidant gas flow path 30 by press molding. The oxidant gas flow path 30 includes an upstream portion 64a, a midstream portion 64b, and a downstream portion 64c. The upstream portion 64a is roughly arranged with a protrusion 62, while the downstream portion 64c includes the protrusion. 62 is densely arranged, and is arranged in the middle flow portion 64b in an intermediate density state.

従って、第3の実施形態では、生成水が最も多量に発生し易い下流部64cに、多数の突起部62が設けられることにより、排水性の向上が容易に図られるという効果が得られる。   Therefore, in the third embodiment, the provision of the large number of protrusions 62 in the downstream portion 64c where the generated water is most likely to be generated in a large amount provides an effect of easily improving drainage.

上記の第1〜第3の実施形態では、酸化剤ガス流路30に円筒状突起部34、52及び62が設けられているが、これに限定されるものではない。例えば、図7及び図8に示すように、略円弧状突起部80を採用してもよい。また、図9及び図10に示すように、平面視で長方形状に設定される複数の凸形状部100を採用してもよい。この凸形状部100は、例えば、2つ1組として各組毎に長手方向が交差されるように配設される。   In the first to third embodiments described above, the cylindrical protrusions 34, 52 and 62 are provided in the oxidant gas flow path 30, but the present invention is not limited to this. For example, as shown in FIGS. 7 and 8, a substantially arcuate protrusion 80 may be employed. Moreover, as shown in FIG.9 and FIG.10, you may employ | adopt the some convex-shaped part 100 set to rectangular shape by planar view. For example, the convex portions 100 are arranged in pairs so that the longitudinal directions intersect each other.

凸形状部100間には、溝部102が設けられ、この溝部102に沿って水が移動することにより、水の表面張力を破壊することができる。さらに、溝部102の溝幅を設定することにより、水流が速くなり過ぎて水の分離による水滴の残留が発生することを阻止する。   A groove 102 is provided between the convex portions 100, and the surface tension of water can be destroyed by moving the water along the groove 102. Furthermore, by setting the groove width of the groove portion 102, it is possible to prevent the water flow from becoming excessively fast and causing water droplets to remain due to water separation.

さらに、図11に示すように、平面視で長方形状の複数の凸形状部104を採用してもよい。この凸形状部104は、それぞれの長手方向が同一方向に向かうようにして配設されるとともに、前記凸形状部104間には、溝部106が連続して設けられる。   Furthermore, as shown in FIG. 11, a plurality of convex portions 104 that are rectangular in plan view may be employed. The convex portions 104 are arranged such that the respective longitudinal directions are directed in the same direction, and the groove portions 106 are continuously provided between the convex portions 104.

さらにまた、図示していないが、円筒状や矩形状の凹形状部又は凹凸形状部等の種々の形状を採用しても、同様の効果が得られる。   Furthermore, although not shown in the drawing, the same effect can be obtained even if various shapes such as a cylindrical or rectangular concave portion or concave and convex portion are employed.

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。It is a principal part disassembled perspective view of the fuel cell which concerns on the 1st Embodiment of this invention. 前記燃料電池の一部断面図である。2 is a partial cross-sectional view of the fuel cell. FIG. 前記燃料電池を構成する第1金属セパレータの正面説明図である。It is front explanatory drawing of the 1st metal separator which comprises the said fuel cell. 前記燃料電池を構成する第2金属セパレータの正面説明図である。It is front explanatory drawing of the 2nd metal separator which comprises the said fuel cell. 本発明の第2の実施形態に係る燃料電池を構成する第1金属セパレータの正面説明図である。It is front explanatory drawing of the 1st metal separator which comprises the fuel cell which concerns on the 2nd Embodiment of this invention. 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金属セパレータの正面説明図である。It is front explanatory drawing of the 1st metal separator which comprises the fuel cell which concerns on the 3rd Embodiment of this invention. 略円弧状突起部の説明図である。It is explanatory drawing of a substantially circular arc-shaped projection part. 図7中、VIII−VIII線断面図である。FIG. 8 is a sectional view taken along line VIII-VIII in FIG. 凸形状部の説明図である。It is explanatory drawing of a convex-shaped part. 図9中、X−X線断面図である。FIG. 10 is a sectional view taken along line XX in FIG. 9. 他の凸形状部の説明図である。It is explanatory drawing of another convex-shaped part.

符号の説明Explanation of symbols

10…燃料電池 12…電解質膜・電極構造体
14、16、50、60…金属セパレータ 18…固体高分子電解質膜
20…カソード側電極 22…アノード側電極
24a…酸化剤ガス入口連通孔 24b…酸化剤ガス出口連通孔
26a…燃料ガス入口連通孔 26b…燃料ガス出口連通孔
28a…冷却媒体入口連通孔 28b…冷却媒体出口連通孔
30…酸化剤ガス流路 30a…酸化剤ガス流路溝
30a1、36a1…溝底面 30a2、36a2…溝側面
30a3、36a3…溝上面 32a、38a…入口バッファ部
32b、38b…出口バッファ部 34、40、52、62…突起部
36…燃料ガス流路 36a…燃料ガス流路溝
42…冷却媒体流路 80…略円弧状突起部
100、104…凸形状部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Fuel cell 12 ... Electrolyte membrane and electrode structure 14, 16, 50, 60 ... Metal separator 18 ... Solid polymer electrolyte membrane 20 ... Cathode side electrode 22 ... Anode side electrode 24a ... Oxidant gas inlet communication hole 24b ... Oxidation Agent gas outlet communication hole 26a ... Fuel gas inlet communication hole 26b ... Fuel gas outlet communication hole 28a ... Cooling medium inlet communication hole 28b ... Cooling medium outlet communication hole 30 ... Oxidant gas channel 30a ... Oxidant gas channel groove 30a1, 36a1 ... groove bottom surface 30a2, 36a2 ... groove side surface 30a3, 36a3 ... groove top surface 32a, 38a ... inlet buffer part 32b, 38b ... outlet buffer part 34, 40, 52, 62 ... projection part 36 ... fuel gas flow path 36a ... fuel gas Channel groove 42 ... Cooling medium channel 80 ... Substantially arcuate projections 100, 104 ... Convex part

Claims (4)

電解質の両側に一対の電極が設けられた電解質・電極構造体と金属セパレータとが積層され、前記電解質・電極構造体と前記金属セパレータとの間には、電極面に沿って反応ガスを供給する反応ガス流路が形成される燃料電池であって、
前記反応ガス流路は、複数の流路溝を有するとともに、前記流路溝を形成する壁面には、プレス成形により凹形状部、凸形状部又は凹凸形状部を有する変形面が一体成形されることを特徴とする燃料電池。
An electrolyte / electrode structure provided with a pair of electrodes on both sides of the electrolyte and a metal separator are laminated, and a reactive gas is supplied along the electrode surface between the electrolyte / electrode structure and the metal separator. A fuel cell in which a reaction gas flow path is formed,
The reactive gas channel has a plurality of channel grooves, and a deformed surface having a concave part, a convex part, or a concave and convex part is integrally formed by press molding on the wall surface forming the channel groove. The fuel cell characterized by the above-mentioned.
請求項1記載の燃料電池において、前記電解質・電極構造体及び前記金属セパレータは、水平方向に積層されるとともに、
前記変形面は、少なくとも前記流路溝を形成する溝底面及び溝側面であることを特徴とする燃料電池。
The fuel cell according to claim 1, wherein the electrolyte / electrode structure and the metal separator are stacked in a horizontal direction,
The fuel cell according to claim 1, wherein the deformation surface is at least a groove bottom surface and a groove side surface forming the flow channel groove.
請求項1又は2記載の燃料電池において、前記変形面には、粗面化処理が施されることを特徴とする燃料電池。   3. The fuel cell according to claim 1, wherein the deformation surface is subjected to a roughening process. 請求項1乃至3のいずれか1項に記載の燃料電池において、前記変形面には、親水性処理が施されることを特徴とする燃料電池。   4. The fuel cell according to claim 1, wherein the deformed surface is subjected to a hydrophilic treatment.
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