JP2006309964A - Fuel cell - Google Patents

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Takumi Tanaka
拓海 田中
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    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell enable enhancing of a cooling efficiency and thinning of a cell to be compatible with each other while cut-off of a cooling medium for cooling the cell and gas is ensured. <P>SOLUTION: A first plate 25 forms an oxidant gas passage in a unit cell by projecting many lines of bridge-shaped projections 32 from a flat plate substrate 30, and bringing the projections 32 into contact with a gas diffusion layer on the surface of an electrolyte layer. A second plate 27 connected to the first plate 25 has many lines of long-hole-shaped openings 55a-55f blanked and pressed in the lateral direction. When both plates are connected, the openings 55a-55f of the second plate 27 are laid on a passing opening 44 of the first plate 25 at both ends, and blocked by the first plate 25 on the back surface of the substrate 30 of the first plate 25. The blocked openings 55a-55f form a passage of water which is a cooling medium. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、表面に触媒層を備えた電解質層に対してガス供給と冷却媒体による冷却とを行う燃料電池に関する。   The present invention relates to a fuel cell that performs gas supply and cooling with a cooling medium on an electrolyte layer having a catalyst layer on the surface.

燃料電池は、一般に、単セルの積層構造を取り、単セルは、表面に触媒層を形成する電解質層からなるMEA(Membrance Electrode Assembly)を、燃料ガス・酸化ガスのガス流路形成部材で挟持する。近年では、こうしたガス流路形成部材に金属プレートを用いることで、その薄層化が図られている(例えば、特許文献1参照)。   A fuel cell generally has a single cell stack structure, and a single cell sandwiches a MEA (Membrance Electrode Assembly) composed of an electrolyte layer that forms a catalyst layer on the surface thereof with a gas flow path forming member for fuel gas and oxidizing gas. To do. In recent years, such a gas flow path forming member has been thinned by using a metal plate (see, for example, Patent Document 1).

特開2002−18422号公報JP 2002-18422 A

この特許文献で提案された燃料電池では、平板状のカーボンプレートに凹凸を有する金属プレートを接合させているが、電池冷却についての対処が不足している。一般に、電池冷却は、水等の冷却媒体を流すことでなされるので、こうした冷却媒体の流路を形成する必要がある。上記文献の燃料電池において冷却媒体流路を設けるに際しては、カーボンプレートに流路用の溝を形成するか、冷却媒体流路を有する別部材を別途用意することが簡便である。   In the fuel cell proposed in this patent document, a metal plate having unevenness is joined to a flat carbon plate, but there is a lack of measures for cooling the battery. In general, since battery cooling is performed by flowing a cooling medium such as water, it is necessary to form a flow path for such a cooling medium. When providing the cooling medium flow path in the fuel cell of the above-mentioned document, it is easy to form a groove for the flow path in the carbon plate or separately prepare another member having the cooling medium flow path.

しかしながら、冷却媒体流路は、その冷却媒体がMEAに供給される燃料ガス或いは酸化ガスに接触しないよう形成する必要があるので、カーボンプレートに流路用の溝を形成する場合には、プレート背面側に溝加工が必要となる。こうなると、冷却媒体流路を流れる冷却媒体は、溝底面のカーボンプレートを介して金属プレートに対して冷却機能を発揮するので、溝底面を介する分だけ冷却効率が下がる。その一方、冷却媒体流路を有する別部材を別途用意する場合は、当該部材を設ける分、厚くなってしまう。   However, the cooling medium flow path needs to be formed so that the cooling medium does not come into contact with the fuel gas or oxidizing gas supplied to the MEA. Groove machining is required on the side. In this case, the cooling medium flowing through the cooling medium flow path exhibits a cooling function for the metal plate via the carbon plate on the bottom surface of the groove, so that the cooling efficiency is lowered by the amount corresponding to the bottom surface of the groove. On the other hand, when another member having a cooling medium flow path is separately prepared, the thickness is increased by providing the member.

本発明は、金属プレートをガス供給に採用するに際しての上記問題点を解決するためになされ、電池冷却のための冷却媒体とガスとの遮断を確保した上で、冷却効率向上と電池薄肉化の両立を図ることをその目的とする。   The present invention is made in order to solve the above-mentioned problems when a metal plate is used for gas supply, and it is possible to improve the cooling efficiency and reduce the thickness of the battery while ensuring the insulation between the cooling medium and the gas for cooling the battery. Its purpose is to achieve both.

かかる課題の少なくとも一部を解決するため、本発明の燃料電池では、表面に触媒層を備えた電解質層に対してガス供給と冷却媒体による冷却とを行うに当たり、電解質層側に位置する金属製の第1プレートと、該第1プレートに接合する金属製の第2プレートとを用いる。この第1プレートは、複数の突起を備え、該突起を前記電解質層側に位置させることで、前記電解質層の主面側に前記ガス流路を形成する。第2プレートは、第1プレートにおける突起形成面とは反対側の面で第1プレートと接合することで、前記冷却媒体を通過させる冷却用流路を前記第1プレートのプレート面で塞がれるようにして形成する。   In order to solve at least a part of such problems, in the fuel cell of the present invention, when supplying the gas to the electrolyte layer having a catalyst layer on the surface and cooling with a cooling medium, the fuel cell is made of a metal located on the electrolyte layer side. The first plate and a metal second plate joined to the first plate are used. The first plate includes a plurality of protrusions, and the gas flow paths are formed on the main surface side of the electrolyte layer by positioning the protrusions on the electrolyte layer side. The second plate is joined to the first plate on the surface opposite to the projection forming surface of the first plate, so that the cooling flow path through which the cooling medium passes is blocked by the plate surface of the first plate. In this way, it is formed.

従って、冷却用流路を流れる冷却媒体は、冷却用流路がガス流路側の第1プレートで塞がれていることから、ガス流路を流れるガスと接触することはなく、冷却媒体とガスの遮断は確実に確保される。その上で、冷却媒体は、第1プレートに直接接して電池冷却機能を発揮するので、冷却効率を高めることができる。しかも、第2プレートの接合対象である第1プレートで第2プレートの冷却用流路を塞ぐだけでよいことから、冷却用の別部材を必要とせず、電池薄肉化を図ることができる。   Therefore, the cooling medium flowing through the cooling flow path is not in contact with the gas flowing through the gas flow path because the cooling flow path is blocked by the first plate on the gas flow path side, and the cooling medium and the gas The interruption is surely ensured. In addition, since the cooling medium directly contacts the first plate and exhibits the battery cooling function, the cooling efficiency can be increased. In addition, since it is only necessary to block the cooling flow path of the second plate with the first plate to be joined to the second plate, a separate member for cooling is not required, and the battery can be thinned.

以上説明した本発明の燃料電池において、第1プレートを、前記突起を突起側壁が貫通したブリッジ状突起として多列に備えるものとし、第2プレートの有する冷却用流路を、前記ブリッジ状突起の列と列との間に重なるようにすることもできる。この態様では、ブリッジ状突起の側壁をガスが通過できることから、電解質層の主面側に形成したガス流路では、突起にガスが衝突してその流れに乱れが起きるようなことを抑制できるので、発電性能を高めることができる。   In the fuel cell of the present invention described above, the first plate is provided in multiple rows as a bridge-like protrusion through which the protrusion side wall penetrates, and the cooling flow path of the second plate is provided on the bridge-like protrusion. It is also possible to overlap between columns. In this aspect, since the gas can pass through the side wall of the bridge-like protrusion, in the gas flow path formed on the main surface side of the electrolyte layer, it is possible to suppress the gas from colliding with the protrusion and turbulence in the flow. , Can improve power generation performance.

また、第1プレートを、前記突起を突起側壁が閉塞した閉塞状突起として多列に備えるものとし、第2プレートの有する冷却用流路を、閉塞状突起の列と重なるようにすることもできる。こうすれば、冷却用流路を備える冷却媒体は、電解質層の側に位置する閉塞状突起を介して電解質層を冷却するので、冷却媒体による冷却効率が高まり好ましい。この際、閉塞状突起が突起内部に空隙を有するものであれば、冷却媒体はこの閉塞状突起の内部にまで入り込むので、冷却媒体による冷却効率がより高まり好ましい。   Further, the first plate may be provided in multiple rows as closed projections with the projections closed by the projection side walls, and the cooling flow path of the second plate may overlap the closed projection rows. . In this case, the cooling medium having the cooling flow path is preferable because the cooling efficiency of the cooling medium is increased because the cooling of the electrolyte layer is performed through the closed projections located on the electrolyte layer side. At this time, if the closed projection has a gap inside the projection, the cooling medium enters the inside of the closed projection, which is preferable because the cooling efficiency by the cooling medium is further increased.

こうした第2プレートにおける冷却用流路を、第2プレートの打ち抜き孔とすれば、その形成が簡便となるばかりか、より一層の薄肉化も図ることができ、好ましい。   If such a cooling channel in the second plate is used as a punching hole in the second plate, it is not only easy to form, but it is possible to further reduce the thickness, which is preferable.

この他、本発明は、表面に触媒層を備えた電解質層を含む単セルを積層した燃料電池であって、
前記単セルのそれぞれは、
複数の突起を備え、該突起を前記電解質層の側に位置させることで、前記電解質層の主面側にガス供給用のガス流路を形成する金属製の第1プレートを前記電解質の両側に備え、
隣り合う単セルの間には、
前記単セルごとの前記第1プレートに接合・挟持される金属製のプレートであって、両側の前記第1プレートと接合することで、前記冷却媒体を通過させる冷却用流路を前記第1プレートのプレート面で塞がれるようにして形成する第2プレートを備え、
該第2プレートは、前記冷却用流路を打ち抜き孔として備えるようにすることもできる。
In addition, the present invention is a fuel cell in which a single cell including an electrolyte layer having a catalyst layer on the surface is laminated,
Each of the single cells
A plurality of protrusions are provided, and the protrusions are positioned on the side of the electrolyte layer so that a first metal plate that forms a gas flow path for gas supply on the main surface side of the electrolyte layer is formed on both sides of the electrolyte. Prepared,
Between adjacent single cells,
A metal plate joined to and sandwiched by the first plate for each single cell, wherein the first plate has a cooling flow path through which the cooling medium passes by joining to the first plate on both sides. A second plate formed so as to be blocked by the plate surface of
The second plate may include the cooling channel as a punched hole.

こうすれば、単セルと単セルとの間の第2プレートが、単セルを区画するだけに組み込まれていた既存のセパレータの代用となるので、セパレータが不要となり、その分、構成の簡略化、薄肉化を図ることができる。   In this way, the second plate between the single cells becomes a substitute for the existing separator that has been incorporated only to divide the single cells, so that no separator is required, and the configuration is simplified accordingly. Thinning can be achieved.

また、本発明は燃料電池の製造方法として、以下の手順を備える。即ち、表面に触媒層を備えた電解質層に対してガス供給と冷却媒体による冷却とを行う燃料電池の製造方法であって、
(a)複数の突起を備える金属製の第1プレートを準備する工程と、
(b)金属製のプレートであって、打ち抜き孔を多列に有する第2プレートを準備する工程と、
(c)前記第1プレートの前記突起を前記電解質層の側に位置させて前記電解質層の主面側にガス供給用のガス流路を形成するよう、前記電解質層の両側に前記第1プレートを配設する工程と、
(d)前記第2プレートの前記打ち抜き孔を前記第1プレートのプレート面で塞ぐことで該塞がれた打ち抜き孔を前記冷却媒体を通過させる冷却用流路として形成するよう、前記第2プレートを前記第1プレートに接合する工程とを備える。
Moreover, this invention is provided with the following procedures as a manufacturing method of a fuel cell. That is, a fuel cell manufacturing method for performing gas supply and cooling with a cooling medium on an electrolyte layer having a catalyst layer on its surface,
(A) preparing a metal first plate having a plurality of protrusions;
(B) a step of preparing a second plate that is a metal plate and has punched holes in multiple rows;
(C) The first plate on both sides of the electrolyte layer so that the projection of the first plate is positioned on the electrolyte layer side and a gas flow path for gas supply is formed on the main surface side of the electrolyte layer. A step of arranging
(D) The second plate is formed by closing the punched hole of the second plate with the plate surface of the first plate so as to form the closed punched hole as a cooling channel through which the cooling medium passes. Joining the first plate to the first plate.

この本発明の製造方法によれば、冷却媒体とガスの確実な遮断と冷却効率向上並びに電池薄肉化が可能な燃料電池を容易に製造できる。   According to the manufacturing method of the present invention, it is possible to easily manufacture a fuel cell capable of reliably shutting off the cooling medium and gas, improving the cooling efficiency, and reducing the battery thickness.

そして、第1プレートを準備するに当たって、平板状の金属プレートの所定位置に、対向するスリットを形成し、該スリット間を凸形状の金型でプレスして複数の突起を形成するようにもでき、こうすれば、プレス加工という簡単な手法で第1プレートを作製でき、簡便である。   In preparing the first plate, opposing slits can be formed at predetermined positions on the flat metal plate, and a plurality of protrusions can be formed by pressing the slits with a convex mold. In this way, the first plate can be produced by a simple technique called press working, which is convenient.

以下、本発明の実施の形態について、その実施例を図面に基づき説明する。本発明の実施例の燃料電池は、固体高分子型燃料電池であり、単セルを複数積層したスタック構造を有している。図1は実施例の燃料電池を構成する単セル20の構成の概略を現わす断面模式図である。単セル20は、表面に触媒層(図示せず)を備える電解質層21と、電解質層21を両側から挟持してサンドイッチ構造を形成するガス拡散層22,23と、このサンドイッチ構造をさらに両側から挟持するガス流路形成用の第1プレート25,26と、その外側に配設された第2プレート27,28とを備えている。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. The fuel cell according to the embodiment of the present invention is a polymer electrolyte fuel cell and has a stack structure in which a plurality of single cells are stacked. FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing an outline of the configuration of a single cell 20 constituting the fuel cell of the embodiment. The unit cell 20 includes an electrolyte layer 21 having a catalyst layer (not shown) on the surface, gas diffusion layers 22 and 23 that sandwich the electrolyte layer 21 from both sides to form a sandwich structure, and the sandwich structure further from both sides. First plates 25 and 26 for forming gas flow paths to be sandwiched, and second plates 27 and 28 disposed on the outside thereof are provided.

電解質層21は、固体高分子材料、例えばフッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜であり、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。本実施例では、ナフィオン膜(デュポン社製)を使用した。電解質層21上に形成される触媒層は、電気化学反応を促進する触媒、例えば、白金、あるいは白金と他の金属から成る合金を備えている。触媒層形成するには、例えば、白金または白金と他の金属からなる合金を担持したカーボン粉を作製し、この触媒を担持したカーボン粉を適当な有機溶剤に分散させ、電解質溶液(例えば、Aldrich Chemical社、Nafion Solution)を適量添加することで、ペーストを作製すればよい。このペーストを、電解質層21上にスクリーン印刷等の方法により塗布することで、触媒層を形成することができる。あるいは、上記触媒を担持したカーボン粉を含有するペーストを膜成形してシートを作製し、このシートを電解質層21上にプレスすることによって触媒層を形成したり、上記ペーストをガス拡散層22,23側に塗布することとしても良い。   The electrolyte layer 21 is a proton conductive ion exchange membrane formed of a solid polymer material such as a fluorine resin, and exhibits good electrical conductivity in a wet state. In this example, a Nafion membrane (manufactured by DuPont) was used. The catalyst layer formed on the electrolyte layer 21 includes a catalyst that promotes an electrochemical reaction, such as platinum or an alloy made of platinum and other metals. In order to form the catalyst layer, for example, carbon powder carrying platinum or an alloy made of platinum and another metal is prepared, and the carbon powder carrying the catalyst is dispersed in an appropriate organic solvent, and an electrolyte solution (for example, Aldrich) is formed. A paste may be prepared by adding an appropriate amount of Chemical, Nafion Solution). By applying this paste onto the electrolyte layer 21 by a method such as screen printing, a catalyst layer can be formed. Alternatively, a sheet containing a carbon powder carrying the catalyst is formed into a sheet, and a sheet is formed on the electrolyte layer 21 by pressing the sheet, or the paste is used as a gas diffusion layer 22, It is good also as applying to 23 side.

ガス拡散層22,23は、ガス透過性および電子伝導性を有する部材によって構成されており、例えば、発泡金属や金属メッシュなどの金属製部材や、カーボンクロスやカーボンペーパなどのカーボン製部材により形成することができる。このようなガス拡散層22,23は、電気化学反応に供されるガスを拡散させると共に、触媒層との間で集電を行なう。   The gas diffusion layers 22 and 23 are made of a member having gas permeability and electronic conductivity, and are formed of, for example, a metal member such as foam metal or metal mesh, or a carbon member such as carbon cloth or carbon paper. can do. Such gas diffusion layers 22 and 23 diffuse the gas used for the electrochemical reaction and collect current with the catalyst layer.

第1プレート25,26は、電解質層21のそれぞれの側において、電解質層主面側にガス流路となる空間を形成する。この場合、ガス拡散層22の側に配設される第1プレート25は、酸素を含有する酸化ガスが通過する単セル内酸化ガス流路25aを形成する。また、ガス拡散層23の側に配設される第1プレート26は、水素を含有する燃料ガスが通過する単セル内燃料ガス流路26aを形成する。ここで、本実施例では、第1プレート25,26をチタンによって形成している。チタンは耐食性に優れた金属であり、強い還元雰囲気となる単セル内燃料ガス流路や強い酸化雰囲気となる単セル内酸化ガス流路を形成する部材の構成材料として望ましい。なお、耐久性が許容できる場合には、ステンレス鋼など他種の金属のプレートを第1プレート25,26とすることもできる。あるいは、金属製板材を所定の形状に成型した後に、表面に貴金属層などの耐食層を設けることによって第1プレート25,26を形成しても良い。第1プレート25,26の構造および流路形成の様子は、本発明の要部に対応するものであり、後に詳しく説明する。   The first plates 25 and 26 each form a space for a gas flow path on the principal surface side of the electrolyte layer on each side of the electrolyte layer 21. In this case, the first plate 25 disposed on the gas diffusion layer 22 side forms an in-single cell oxidizing gas flow path 25a through which an oxidizing gas containing oxygen passes. Further, the first plate 26 disposed on the gas diffusion layer 23 side forms a fuel cell channel 26a in the single cell through which a fuel gas containing hydrogen passes. Here, in the present embodiment, the first plates 25 and 26 are made of titanium. Titanium is a metal with excellent corrosion resistance, and is desirable as a constituent material of a member that forms a fuel gas channel in a single cell that provides a strong reducing atmosphere and an oxidizing gas channel in a single cell that provides a strong oxidizing atmosphere. If the durability is acceptable, plates of other types of metals such as stainless steel can be used as the first plates 25 and 26. Alternatively, the first plates 25 and 26 may be formed by forming a metal plate material into a predetermined shape and then providing a corrosion-resistant layer such as a noble metal layer on the surface. The structure of the first plates 25 and 26 and the state of flow path formation correspond to the main part of the present invention, and will be described in detail later.

第2プレート27,28は、既存の単セルにおけるセパレータとしても機能する部材でもあることから、電子伝導性を有する材料で形成されてガス不透過性を有する。例えば、第2プレートを、ステンレス鋼等の金属部材やカーボン部材によって形成することができる。本実施例の第2プレート27,28は、薄板状に形成されており、ガス流路形成用のそれぞれの第1プレート25,26と接する面は、凹凸のない平坦面となっている。なお、図示の都合上、第2プレート27,28は厚肉状に描画されているが、第1プレート25,26と同様、数mm程度の肉厚に過ぎない。   Since the second plates 27 and 28 are members that also function as separators in existing single cells, the second plates 27 and 28 are formed of a material having electron conductivity and have gas impermeability. For example, the second plate can be formed of a metal member such as stainless steel or a carbon member. The second plates 27 and 28 of the present embodiment are formed in a thin plate shape, and the surfaces in contact with the first plates 25 and 26 for gas flow path formation are flat surfaces without unevenness. For convenience of illustration, the second plates 27 and 28 are drawn thick, but, like the first plates 25 and 26, are only a few millimeters thick.

なお、単セル20の外周部には、部材接合箇所におけるガスシール性を確保するために、ガスケット等のシール部材が各部材間に適宜配設されている。また、単セル20の外周部には、単セル20の積層方向と平行であって燃料ガスあるいは酸化ガスが流通する複数のガスマニホールドが設けられている(図示せず)。これら複数のガスマニホールドのうちの燃料ガス供給マニホールドを流れる燃料ガスは、各単セル20に分配され、電気化学反応に供されつつ第1プレート26が形成する各単セル内燃料ガス流路26aおよびガス拡散層23を通過し、その後、燃料ガス排出マニホールドに集合する。同様に、酸化ガス供給マニホールドを流れる酸化ガスは、各単セル20に分配され、電気化学反応に供されつつ第1プレート25が形成する単セル内酸化ガス流路25aおよびガス拡散層22を通過し、その後、酸化ガス排出マニホールドに集合する。   In addition, in order to ensure the gas-sealing property in a member joining location, sealing members, such as a gasket, are suitably arrange | positioned between each member in the outer peripheral part of the single cell 20. FIG. In addition, a plurality of gas manifolds (not shown) are provided on the outer peripheral portion of the single cell 20 in parallel with the stacking direction of the single cells 20 and through which fuel gas or oxidizing gas flows. The fuel gas flowing through the fuel gas supply manifold among the plurality of gas manifolds is distributed to each single cell 20 and is supplied to the electrochemical reaction, and each single-cell fuel gas flow path 26a formed by the first plate 26 and It passes through the gas diffusion layer 23 and then collects in the fuel gas discharge manifold. Similarly, the oxidizing gas flowing through the oxidizing gas supply manifold is distributed to each single cell 20 and passes through the single-cell oxidizing gas flow path 25a and the gas diffusion layer 22 formed by the first plate 25 while being subjected to an electrochemical reaction. After that, it collects in the oxidizing gas discharge manifold.

図1に示す単セル20は、燃料ガス(H2)・酸化ガス(O2)の流れ方向が単セル内燃料ガス流路26aと単セル内酸化ガス流路25aで同方向である。これは、電解質層21の左右の第1プレート25,26を同じものとしたことによる。しかしながら、上記の両ガスの流れ方向は、上記した同方向の他、逆方向、直交など異なる向きに流れることとしても良い。なお、両ガスの流れを逆方向とした場合は、単セル20の断面構造は図1と同じであるが、両ガスを直交させて流す場合の単セルでは、電解質左右の第1プレート25,26における後述の凸部32の形成の様子が異なるので、この場合の単セル断面は後述することとする。 In the single cell 20 shown in FIG. 1, the flow direction of the fuel gas (H 2 ) / oxidizing gas (O 2 ) is the same in the single-cell fuel gas channel 26a and the single-cell oxidizing gas channel 25a. This is because the left and right first plates 25 and 26 of the electrolyte layer 21 are the same. However, the flow directions of the two gases may flow in different directions such as the reverse direction and the orthogonal direction in addition to the same direction described above. When the flow of both gases is reversed, the cross-sectional structure of the single cell 20 is the same as in FIG. 1, but in the single cell where both gases are flowed orthogonally, the first plates 25 on the left and right sides of the electrolyte 26, since a state of formation of a convex portion 32 to be described later is different, a single cell section in this case will be described later.

燃料電池に供給される燃料ガスとしては、炭化水素系燃料を改質して得られる水素リッチガスを用いても良いし、純度の高い水素ガスを用いても良い。また、燃料電池に供給される酸化ガスとしては、例えば空気を用いることができる。   As the fuel gas supplied to the fuel cell, a hydrogen-rich gas obtained by reforming a hydrocarbon-based fuel may be used, or a high-purity hydrogen gas may be used. For example, air can be used as the oxidizing gas supplied to the fuel cell.

次に、第1プレート25,26と第2プレート27,28について説明する。図2は第1プレート25と第2プレート27とを一部拡大しつつ分解して模式的に表した斜視図である。なお、第1プレート26は第1プレート25と、第2プレート27は第2プレート28と同様の構造であるため、以下、第1プレート25と第2プレート27について以下説明する。   Next, the first plates 25 and 26 and the second plates 27 and 28 will be described. FIG. 2 is a perspective view schematically showing the first plate 25 and the second plate 27 in a partially enlarged manner while being partially enlarged. Since the first plate 26 and the second plate 27 have the same structure as the first plate 25 and the second plate 28, the first plate 25 and the second plate 27 will be described below.

図2に示すように、第1プレート25は、平板状の基板部30と、基板部30から突出して設けられた複数の凸部32と、を備えている。凸部32は、台形状に基板部30から隆起形成されて多列に並び、各列ではいわゆる千鳥状に配置されている。また、この凸部32は、図2における上下の方向においてはその側壁を貫通させたブリッジ状とされているので、基板部30に開口31を残す。第1プレート25は、この多列に並んだブリッジ状の凸部32の頂上面を電解質層21の側に位置させ、詳しくはガス拡散層22に当接させ(図1参照)、この凸部32の隆起高さに相当する分の空間を単セル内酸化ガス流路25aとして形成する。この場合、凸部32は既述したようにブリッジ状であることから、凸部32の裏側においても、図中矢印で示すようにガスが流れる。   As shown in FIG. 2, the first plate 25 includes a flat substrate portion 30 and a plurality of convex portions 32 provided to protrude from the substrate portion 30. The convex portions 32 are formed in a trapezoidal shape so as to protrude from the substrate portion 30 and are arranged in multiple rows, and are arranged in a so-called staggered pattern in each row. Further, since the convex portion 32 has a bridge shape penetrating the side wall in the vertical direction in FIG. 2, the opening 31 is left in the substrate portion 30. The first plate 25 has the top surfaces of the bridge-shaped convex portions 32 arranged in multiple rows positioned on the electrolyte layer 21 side, and specifically contacts the gas diffusion layer 22 (see FIG. 1). A space corresponding to the raised height of 32 is formed as the oxidizing gas flow path 25a in the single cell. In this case, since the convex portion 32 has a bridge shape as described above, gas flows on the back side of the convex portion 32 as indicated by an arrow in the figure.

第1プレート25は、この他、プレート上下周縁に、酸化ガスの流入開口40と、酸化ガスの排出開口41と、燃料ガスの通過開口42,43とを備え、プレート左右周縁に、冷却媒体としての水の通過開口44を備える。酸化ガスの流入開口40と排出開口41とは上下に対角に配置され、単セル内酸化ガス流路25aにおけるガスの流れに、著しい偏りが起きないようにされている。つまり、流入開口40から流入したガス(酸化ガス)は、図中に矢印で示すように多くの分流した流れとなって単セル内酸化ガス流路25aを満遍なく通過し、排出開口41から排出される。このようにして単セル内酸化ガス流路25aを分流して流れる間に、その酸化ガスは、ガス拡散層22内を拡散して電解質層21、詳しくはその表面の触媒層に供給される。なお、この排出開口41から排出されたガスは図示しないマニホールドにて集められ、セル外に運び出される。   In addition, the first plate 25 includes an oxidant gas inflow opening 40, an oxidant gas discharge opening 41, and fuel gas passage openings 42 and 43 at the upper and lower peripheral edges of the plate. The water passage opening 44 is provided. The oxidant gas inflow opening 40 and the discharge opening 41 are arranged diagonally up and down so that the gas flow in the oxidant gas flow path 25a in the single cell is not significantly biased. That is, the gas (oxidizing gas) flowing in from the inflow opening 40 becomes a large number of diverted flows as shown by arrows in the figure, and passes through the single-cell in-cell oxidizing gas channel 25a, and is discharged from the discharge opening 41. The In this way, while flowing in the single-cell oxidizing gas flow path 25a, the oxidizing gas diffuses in the gas diffusion layer 22 and is supplied to the electrolyte layer 21, more specifically to the catalyst layer on the surface thereof. The gas discharged from the discharge opening 41 is collected by a manifold (not shown) and carried out of the cell.

燃料電池が発電を行なう際には、単セル内酸化ガス流路25aと触媒層との間で、ガス拡散層22を介して、酸化ガスが給排される。また、燃料電池が発電する際には、電気化学反応の進行に伴いカソード側の触媒層上で生成水が生じるが、本実施例では、ガス拡散層22を介して、触媒層から単セル内酸化ガス流路25aへと生成水が排出される。なお、単セル内燃料ガス流路26aにおいても同様に、触媒層との間で燃料ガスの給排が行なわれる。   When the fuel cell generates power, the oxidizing gas is supplied and discharged through the gas diffusion layer 22 between the oxidizing gas flow path 25a in the single cell and the catalyst layer. In addition, when the fuel cell generates power, water is generated on the catalyst layer on the cathode side as the electrochemical reaction proceeds. In this embodiment, in the single cell from the catalyst layer through the gas diffusion layer 22. The generated water is discharged to the oxidizing gas channel 25a. Similarly, in the single-cell fuel gas flow path 26a, fuel gas is supplied to and discharged from the catalyst layer.

通過開口42,43は、隣接する単セル20における単セル内燃料ガス流路26aに燃料ガスを流し込むためのものであり、酸化ガスの流入開口40と排出開口41と同様、対角に形成されている。通過開口44は、凸部32を横方向の列と見た場合、その凸部32の列と干渉しないよう、列間および最上段列の上部、最下段列の下部に位置するよう、形成されている。   The passage openings 42 and 43 are for flowing the fuel gas into the fuel gas flow path 26a in the single cell in the adjacent single cell 20, and are formed diagonally like the inflow opening 40 and the discharge opening 41 for the oxidizing gas. ing. The passage openings 44 are formed so as to be positioned between the rows and above the uppermost row and below the lowermost row so as not to interfere with the row of the raised portions 32 when the convex portions 32 are viewed as horizontal rows. ing.

本実施例の第1プレート25は、1枚の金属製板状部材を一連のプレス加工によって作製される。図3は第1プレート25の作製プロセスを示す手順フロー、図4は第1プレート25の製造の様子を説明するための説明図である。第1プレート25の作製に際しては、図3に示すように、鋼板を用意する(ステップS100)。この鋼板は、第1プレート25と同寸法の厚みを備える。次に、この鋼板に、レーザー加工・剪断加工等により、既述した凸部32の形成位置にスリット35を対向して形成する(ステップS110)。図4には、第1プレート25(基板部30)における形成済みスリット35を示すが、第1プレート25(基板部30)の方形形状のシャーリング(切断)は、生産効率向上のため後述の最終工程で行うため、ステップS110においては鋼板の状態でスリット35が形成される。   The first plate 25 of the present embodiment is produced by a series of press working on a single metal plate member. FIG. 3 is a procedure flow showing a manufacturing process of the first plate 25, and FIG. 4 is an explanatory diagram for explaining a state of manufacturing the first plate 25. In producing the first plate 25, as shown in FIG. 3, a steel plate is prepared (step S100). This steel plate has the same thickness as the first plate 25. Next, the slit 35 is formed on the steel plate so as to face the formation position of the convex portion 32 described above by laser processing, shearing processing, or the like (step S110). FIG. 4 shows the formed slits 35 in the first plate 25 (substrate part 30). The square shearing (cutting) of the first plate 25 (substrate part 30) is the last to be described later in order to improve production efficiency. Since it is performed in the process, the slit 35 is formed in the state of a steel plate in step S110.

スリット形成後には、図4に示すような台形断面を有するプレス突起45を先端に有するプレス駒46と開口打ち抜きプレス駒(図示略)とを鋼板に押圧する(ステップS120)。この際、プレス駒46は、そのプレス突起45を、スリット35の形成位置(スリットの間)に適合させて押し当てる。そうすると、スリット35の間の箇所がその周囲から隆起して、プレス突起45の凸形状に倣った凸部32が多列に形成される。排出開口41等の開口は、打ち抜きプレス駒により、凸部32の形成と並行して、或いは、凸部32の形成と前後して形成される。   After the slit formation, a press piece 46 having a press protrusion 45 having a trapezoidal cross section as shown in FIG. 4 and an opening punching press piece (not shown) are pressed against the steel plate (step S120). At this time, the press piece 46 presses the press protrusion 45 in conformity with the formation position of the slit 35 (between the slits). If it does so, the location between the slits 35 will protrude from the circumference | surroundings, and the convex part 32 which followed the convex shape of the press protrusion 45 will be formed in multiple rows. The openings such as the discharge opening 41 are formed by a punching press piece in parallel with the formation of the convex portion 32 or before and after the formation of the convex portion 32.

次いで、凸部32や排出開口41等を含むよう、鋼板を第1プレート25(基板部30)の方形形状、即ち図4に示す形状にシャーリング(切断)する(ステップS130)。こうすれば、規格サイズの鋼板から、複数枚の第1プレート25を効率よく作製できる。なお、先に方形形状の基板部30(第1プレート25)を準備し、1枚ずつの基板部30にスリット形成・プレスを行って、第1プレート25を作製するようにすることもできる。   Next, the steel plate is sheared (cut) into the square shape of the first plate 25 (substrate portion 30), that is, the shape shown in FIG. 4 so as to include the convex portion 32, the discharge opening 41, and the like (step S130). If it carries out like this, the 1st plate 25 of several sheets can be produced efficiently from the steel plate of a standard size. It is also possible to prepare the first plate 25 by preparing the rectangular substrate portion 30 (first plate 25) first and slitting / pressing the substrate portions 30 one by one.

第2プレート27は、接合対象である第1プレート25が有する流入開口40、排出開口41および通過開口42,43に合致する開口50〜53(開口53は図5参照)を備え、これら開口は、合致する開口を通過するガスの通過開口となる。例えば、開口50は、流入開口40の手前において酸化ガスの通過開口となる。また、第2プレート27は、横方向に打ち抜きプレス加工された長穴状の開口55a〜55fを多列に並べて備える。この開口55a〜55fは、開口端部が、第1プレート25が左右に多列に有する通過開口44と合致するよう形成されている。   The second plate 27 includes openings 50 to 53 (see FIG. 5 for the opening 53) that match the inflow opening 40, the discharge opening 41, and the passage openings 42 and 43 of the first plate 25 to be joined. , The gas passage opening through the matching opening. For example, the opening 50 is an oxidizing gas passage opening before the inflow opening 40. In addition, the second plate 27 includes elongated holes 55a to 55f that are punched in the horizontal direction and arranged in multiple rows. The openings 55a to 55f are formed so that the opening ends thereof coincide with the passage openings 44 that the first plate 25 has in multiple rows on the left and right.

この第2プレート27は、既述した第1プレート25とほぼ同一のプロセスを取り、鋼板の用意(ステップS100)、押圧プレス(ステップS120)、方形形状シャーリング(ステップS130)の順に作製される。この押圧プレスの際には、開口50〜53や開口55a〜55fの打ち抜きようのプレス駒が用いられる。   The second plate 27 is manufactured in the order of preparation of a steel plate (step S100), pressing press (step S120), and square-shaped shearing (step S130) by taking almost the same process as the first plate 25 described above. At the time of this pressing, press pieces for punching the openings 50 to 53 and the openings 55a to 55f are used.

次に、上記した構成の第1プレート25と第2プレート27の使用状態について説明する。図5は第1プレート25と第2プレート27とを接合させた状態を表す斜視図、図6は図5の6−6線に沿った概略断面図、図7は図5の7−7線に沿った概略断面図、図8は図5における凸部32の形成箇所に沿って折れ曲がった8−8線に沿った概略断面図である。これ図面に示すように、両プレートを接合すると、両プレートにおける流入開口40と開口50、通過開口42と開口52、通過開口43と開口53、排出開口41と開口51とがそれぞれ重なる。また、第2プレート27の開口55a〜55fは、それぞれその両端において、第1プレート25の通過開口44と重なる。なお、これら開口の重なり箇所には、図示しないガスケットが配置され、ガスシール性・水密性が確保されている。   Next, usage states of the first plate 25 and the second plate 27 having the above-described configuration will be described. 5 is a perspective view showing a state in which the first plate 25 and the second plate 27 are joined, FIG. 6 is a schematic sectional view taken along line 6-6 of FIG. 5, and FIG. 7 is a line 7-7 of FIG. FIG. 8 is a schematic cross-sectional view taken along the line 8-8 bent along the formation portion of the convex portion 32 in FIG. As shown in the drawing, when both plates are joined, the inflow opening 40 and the opening 50, the passage opening 42 and the opening 52, the passage opening 43 and the opening 53, and the discharge opening 41 and the opening 51 overlap each other. Further, the openings 55 a to 55 f of the second plate 27 overlap with the passage openings 44 of the first plate 25 at both ends thereof. In addition, a gasket (not shown) is disposed at the overlapping portion of these openings to ensure gas sealing properties and water tightness.

この場合、第1プレート25において、通過開口44は、既述したように横方向の凸部32の列と干渉しないよう、列間および列の上部・下部に位置することから、これに合致する第2プレート27の開口55a〜55fの各開口にあっても、凸部32の各列・列の上下に位置する。そして、これら開口55a〜55fは、第1プレート25の基板部30裏面にて、第1プレート25の側で塞がれることになる。   In this case, in the first plate 25, the passage openings 44 are located between the rows and at the upper and lower portions of the rows so as not to interfere with the rows of the convex portions 32 in the lateral direction, as described above, and therefore match this. Even in each of the openings 55 a to 55 f of the second plate 27, it is positioned above and below each row / row of the convex portion 32. These openings 55 a to 55 f are closed on the first plate 25 side on the back surface of the substrate portion 30 of the first plate 25.

その一方、第1プレート25の凸部32が属する横方向の各列は、第2プレート27における開口55a〜55fの間に位置することから、凸部32を形成することで基板部30に残る開口31は、それぞれ第2プレート27にて塞がれる。   On the other hand, the horizontal rows to which the convex portions 32 of the first plate 25 belong are located between the openings 55 a to 55 f in the second plate 27, so that the convex portions 32 are formed to remain on the substrate portion 30. Each opening 31 is closed by the second plate 27.

以上説明したように、上記構成を有する本実施例の燃料電池(単セル20)では、第1プレート25の左右の通過開口44の一方から水を流し込み、上記のように塞がれた第2プレート27の開口55a〜55fをこの水の流路とできる。そして、この開口55a〜55fを通過する冷却媒体である水は、これら開口が第1プレート25(詳しくは基板部30)で塞がれていることから、第1プレート25が凸部32を介して形成した単セル内酸化ガス流路25aを流れる酸化ガスと接触することはない。また、それぞれの凸部32に該当する開口31にあっても、既述したように第2プレート27にて塞がれることから、開口31、延いては単セル内酸化ガス流路25aと開口55a〜55fが連通することもない。これらの結果、第1プレート25と第2プレート27を接合させ、その第2プレート27に冷却用の流路たる開口55a〜55fを形成したとしても、冷却媒体である水と酸化ガスの遮断は確実に確保できる。   As described above, in the fuel cell (unit cell 20) of the present embodiment having the above-described configuration, water is poured from one of the left and right passage openings 44 of the first plate 25, and is closed as described above. The openings 55a to 55f of the plate 27 can be used as the water flow paths. The water that is the cooling medium that passes through the openings 55a to 55f is blocked by the first plate 25 (specifically, the substrate portion 30). There is no contact with the oxidizing gas flowing through the oxidizing gas channel 25a in the single cell formed in the above manner. Even in the openings 31 corresponding to the respective protrusions 32, the second plate 27 closes the openings 31 as described above. Therefore, the openings 31 and the oxidant gas flow paths 25a in the single cell and the openings are opened. 55a-55f does not communicate. As a result, even if the first plate 25 and the second plate 27 are joined and the openings 55a to 55f as cooling channels are formed in the second plate 27, the water and the oxidizing gas as the cooling medium are blocked. It can be surely secured.

しかも、本実施例では、第2プレート27の開口55a〜55fを流れる水(冷却媒体)を、これら開口を塞ぐ第1プレート25(基板部30)に直接接して当該プレートを介してガス拡散層22や電解質層21を冷却するので、高い冷却効率で電池冷却を図ることができる。その上、こうした冷却構造を、第2プレート27が有する開口55a〜55fを第2プレート27の接合対象である第1プレート25で塞げば足りるので、特別の冷却用部材を必要とせず、単セル20の薄肉化、延いては単セル積層構造の燃料電池の薄肉化・軽量化を図ることができる。   In addition, in this embodiment, the water (cooling medium) flowing through the openings 55a to 55f of the second plate 27 is in direct contact with the first plate 25 (substrate part 30) that closes these openings, and the gas diffusion layer is interposed through the plate. 22 and the electrolyte layer 21 are cooled, so that the battery can be cooled with high cooling efficiency. In addition, such a cooling structure can be achieved by closing the openings 55a to 55f of the second plate 27 with the first plate 25 to which the second plate 27 is to be joined. Therefore, it is possible to reduce the thickness and weight of the fuel cell having a single cell stacked structure.

また、本実施例では、凸部32をブリッジ状として、凸部裏面側においても隆起側面からガスが通過できるようにした。よって、図2に示すように、単セル内ガス流路(単セル内酸化ガス流路25a・単セル内燃料ガス流路26a)においては、複数筋に分流した流れとして、ガスを単セル内ガス流路に流すことができ、ガスが凸部32の周壁に衝突してその流れに顕著な乱れが起きないようにできる。つまり、分流に、流れが交差するような乱れを起き難くできるので、ガス拡散層への拡散(ガス給排)がより均一となり、発電性能を高めることができる。   Moreover, in the present Example, the convex part 32 was made into bridge | bridging shape so that gas could pass from a protruding side surface also on the convex part back surface side. Therefore, as shown in FIG. 2, in the gas flow path in the single cell (the oxidation gas flow path 25a in the single cell / the fuel gas flow path 26a in the single cell), the gas is divided into a plurality of lines and flows into the single cell The gas can be flowed to the gas flow path so that the gas does not collide with the peripheral wall of the convex portion 32 and the flow is not significantly disturbed. That is, since it is possible to make it difficult for the flow to intersect the shunt flow, diffusion to the gas diffusion layer (gas supply / discharge) becomes more uniform and power generation performance can be improved.

上記した実施例では、第1プレート25が有する凸部32の並びを横方向の列として、その列の間・列の上下に第2プレート27の開口55a〜55fが位置するようにしたが、これに限るわけではない。図9は凸部32が左右に湾曲した並びで存在するとした場合の第1プレート25と第2プレート27を表す変形例の概略斜視図である。   In the above-described embodiment, the arrangement of the convex portions 32 of the first plate 25 is a horizontal row, and the openings 55a to 55f of the second plate 27 are positioned between and above the row. It is not limited to this. FIG. 9 is a schematic perspective view of a modified example showing the first plate 25 and the second plate 27 in a case where the convex portions 32 are present in a curved line to the left and right.

図示するように、この変形例では、第1プレート25において、凸部32は、図中点線で示す湾曲軌跡32Lに沿って点在する。この場合は、第2プレート27は、図示する湾曲軌跡32Lと湾曲軌跡32Lの間と、湾曲軌跡32Lの外側に位置するよう、開口56a〜56eを備える。これら開口56a〜56eは、その湾曲軌跡が凸部32の点在軌跡(湾曲軌跡32L)と同じとなるようにされ、プレート上下で隣の開口と連結されている。   As shown in the figure, in this modified example, in the first plate 25, the convex portions 32 are scattered along a curved locus 32L indicated by a dotted line in the drawing. In this case, the second plate 27 includes openings 56a to 56e so as to be positioned between the curved trajectory 32L and the curved trajectory 32L illustrated and outside the curved trajectory 32L. The openings 56a to 56e have a curved locus that is the same as the dotted locus (curved locus 32L) of the convex portion 32, and are connected to adjacent openings at the top and bottom of the plate.

開口56eは、その一端側(上端側)で第1プレート25の通過開口44と重なるようにされ、開口56aは、プレートの対角位置にて第1プレート25の通過開口44と重なるようにされている。こうしても、湾曲軌跡の開口56a〜56eと隣り合う開口の連結開口部は、第2プレート27の接合対象である第1プレート25により塞がれ、既述した開口55a〜55fと同様にして、冷却媒体である水の流路となる。よって、この図9に示す変形例にあっても、既述した実施例と同様の効果を奏することができる。   The opening 56e is overlapped with the passage opening 44 of the first plate 25 at one end side (upper end side) thereof, and the opening 56a is overlapped with the passage opening 44 of the first plate 25 at a diagonal position of the plate. ing. Even in this case, the connection opening portion of the opening adjacent to the openings 56a to 56e of the curved locus is blocked by the first plate 25 to be joined to the second plate 27, and in the same manner as the openings 55a to 55f described above, It becomes a flow path of water which is a cooling medium. Therefore, even in the modification shown in FIG. 9, the same effects as those of the above-described embodiment can be obtained.

この他、凸部32の並びを千鳥状としたが、凸部32が各列において同じ並びとなるようにすることもできる。図10は凸部32を縦横に並べた一変形例を示す第1プレート25と第2プレート27の略斜視図、図11は凸部32を縦横に並べた他の変形例を示す第1プレート25と第2プレート27の略斜視図である。   In addition, the arrangement of the convex portions 32 is staggered, but the convex portions 32 may be arranged in the same manner in each row. FIG. 10 is a schematic perspective view of a first plate 25 and a second plate 27 showing a modified example in which the convex portions 32 are arranged vertically and horizontally, and FIG. 11 is a first plate showing another modified example in which the convex portions 32 are arranged vertically and horizontally. 25 is a schematic perspective view of the second plate 27 and the second plate 27. FIG.

図10に示す変形例では、第1プレート25において、凸部32が縦横に並ぶよう配設されている以外、第1プレート25や第2プレート27の構成は図2に示す通りである。つまり、第2プレート27は、第1プレート25が有する凸部32を横方向に並ぶとして、その列間・列の上下に開口55a〜55fを備え、これら開口を第1プレート25で塞いで冷却媒体である水の流路とする。   In the modification shown in FIG. 10, the configuration of the first plate 25 and the second plate 27 is as shown in FIG. 2 except that the convex portions 32 are arranged in the first plate 25 in the vertical and horizontal directions. That is, the second plate 27 is provided with openings 55 a to 55 f between the rows and above and below the rows, assuming that the convex portions 32 of the first plate 25 are arranged in the horizontal direction, and these openings are closed by the first plate 25 and cooled. A flow path of water as a medium is used.

図11の変形例では、第1プレート25における凸部32の配列は図9と同様であり、第2プレート27は、第1プレート25が有する凸部32は縦方向に並ぶとして、その列間・列の左右に開口57a〜57fを備え、これら開口をプレート上下で隣り合う開口同士で連結する。そして、第2プレート27は、第1プレート25と接合することで、この第1プレート25により、開口57a〜57fおよび隣り合う開口の連結開口部を塞いで冷却媒体である水の流路とする。この場合、第1プレート25が対角に有する通過開口44は、第2プレート27における両端の開口57a,57fと開口端部で重なるようにされている。   In the modification of FIG. 11, the arrangement of the protrusions 32 in the first plate 25 is the same as that in FIG. 9, and the second plate 27 assumes that the protrusions 32 of the first plate 25 are arranged in the vertical direction. Opening 57a-57f is provided in the right and left of a row | line | column, and these opening is connected by the opening adjacent to the plate upper and lower sides. The second plate 27 is joined to the first plate 25 so that the first plate 25 closes the openings 57a to 57f and the connecting openings of the adjacent openings to form a flow path of water as a cooling medium. . In this case, the passage openings 44 diagonally formed by the first plate 25 overlap the openings 57 a and 57 f at both ends of the second plate 27 at the opening end portions.

上記の両変形例にあっても、既述した実施例と同様の効果を奏することができる。   Even in both of the above-described modifications, the same effects as those of the above-described embodiments can be obtained.

次に、また別の変形例について説明する。図12は凸部32を隆起側壁が塞がれた閉塞状の突起とした変形例における第1プレート25と第2プレート27の概略斜視図、図13は図12における13−13線に沿った概略断面図である。   Next, another modification will be described. FIG. 12 is a schematic perspective view of the first plate 25 and the second plate 27 in a modified example in which the convex portion 32 is formed as a closed projection in which the raised side wall is blocked, and FIG. 13 is taken along the line 13-13 in FIG. It is a schematic sectional drawing.

この変形例では、凸部32が閉塞状に第1プレート25(基板部30)から隆起した閉塞突起である点と、第2プレート27における開口55a〜55eが凸部32の並び(横方向並び)と重なっている点に特徴がある。この場合、図では凸部32が縦横に並んだ状態としたが、横方向の列において閉塞状の凸部32が千鳥状に配置するものであってもよい。また、凸部32については、先端が球状の隆起としたが、閉塞状であればその形状は種々のもの、例えば、側面が閉塞した円錐台形状・角錐台形状等とすることもできる。   In this modification, the convex part 32 is a closed projection protruding from the first plate 25 (substrate part 30) in a closed state, and the openings 55a to 55e in the second plate 27 are arranged in the horizontal direction. ) Is characterized by overlapping. In this case, although the convex portions 32 are arranged in the vertical and horizontal directions in the drawing, the closed convex portions 32 may be arranged in a staggered manner in the horizontal rows. The convex portion 32 has a spherical bulge at the tip, but may have various shapes such as a truncated cone shape and a truncated pyramid shape with closed side surfaces as long as the shape is closed.

この変形例では、第2プレート27が有する開口55a〜55eは、先の実施例と同様、第1プレート25(基板部30)にて塞がれるが、これら開口と凸部32の列が重なっているので、開口55a〜55eは、第1プレート25の側において、平板状の基板部30に加え、閉塞状の凸部32でも塞がれることになる。このため、第2プレート27の開口55a〜55eを通過する冷却媒体である水は、凸部32の裏面凹所32a(図13参照)の中にまで入り込む。この凸部32は、その頂上にてガス拡散層22、延いては電解質層21に接していることから、第2プレート27の開口55a〜55eを通過する冷却媒体である水は、凸部32を介してその裏面側から電解質層21等を冷却するので、冷却効率がより高まり電池性能維持の上からも好ましい。なお、プレート端部の側では、ガスケット60にて、第1プレート25の通過開口44および第2プレート27の開口55aは、単セル内酸化ガス流路25aとシールされ、このガスケット60が形成する図示しない流路を介して、通過開口44、開口55aを水が通過する。   In this modification, the openings 55a to 55e of the second plate 27 are closed by the first plate 25 (substrate part 30) as in the previous embodiment, but the rows of these openings and the protrusions 32 overlap. Therefore, the openings 55a to 55e are blocked by the closed convex portion 32 in addition to the flat substrate portion 30 on the first plate 25 side. For this reason, the water that is the cooling medium passing through the openings 55 a to 55 e of the second plate 27 enters the back surface recess 32 a (see FIG. 13) of the convex portion 32. Since the convex portion 32 is in contact with the gas diffusion layer 22 and, in turn, the electrolyte layer 21 at the top thereof, the water that is the cooling medium passing through the openings 55a to 55e of the second plate 27 is the convex portion 32. Since the electrolyte layer 21 and the like are cooled from the back side through the cooling, the cooling efficiency is further increased, which is preferable in terms of maintaining battery performance. On the plate end side, the gasket 60 allows the passage opening 44 of the first plate 25 and the opening 55a of the second plate 27 to be sealed with the oxidant gas flow path 25a in the single cell, thereby forming the gasket 60. Water passes through the passage opening 44 and the opening 55a through a flow path (not shown).

この図12に示す変形例は、その開口55a〜55eの形成の様子を、図11で示したような縦方向の開口(開口57a等)の並びとすることもできる。また、縦横に限らず、次のように変形することもできる。図14は閉塞状の凸部32を用いた場合における第2プレート27の開口の形成の様子の変形例を示す説明図である。   In the modification shown in FIG. 12, the openings 55a to 55e can be formed in the arrangement of the vertical openings (openings 57a and the like) as shown in FIG. Further, the present invention is not limited to vertical and horizontal but can be modified as follows. FIG. 14 is an explanatory view showing a modification of the state of forming the opening of the second plate 27 when the closed convex portion 32 is used.

この図14において、図中には、点線にて、第2プレート27に接合する第1プレート25が有する閉塞状の凸部32の点在箇所と通過開口44の形成箇所を示している。第2プレート27は、凸部32の並びが斜め方向であるとして、その斜めの並びに一致するよう、開口58a〜58jを備え、開口58a〜58eをプレート上端側の開口59aで連結させ、開口58f〜58jをプレート下端側の開口59bで連結させている。この場合、開口58aとプレート端部で重なる第1プレート25の通過開口44は、冷却媒体である水の入り口となり、開口58b〜58eとプレート端部で重なる通過開口44は、水の出口となる。開口58f〜58jについても同様である。このように斜めに開口58a〜58jを有する第2プレート27を用いた変形例であっても、図12で示した変形例と同様の効果を奏することができる。   In FIG. 14, in the drawing, dotted points indicate the locations where the closed projections 32 included in the first plate 25 joined to the second plate 27 and the locations where the passage openings 44 are formed. The second plate 27 is provided with openings 58a to 58j so that the protrusions 32 are aligned in an oblique direction, and the openings 58a to 58e are connected by an opening 59a on the upper end side of the plate, so that the openings 58f ˜58j are connected by an opening 59b on the lower end side of the plate. In this case, the passage opening 44 of the first plate 25 that overlaps the opening 58a at the plate end serves as an inlet for water that is a cooling medium, and the passage opening 44 that overlaps the openings 58b to 58e at the plate end serves as an outlet for water. . The same applies to the openings 58f to 58j. Thus, even if it is a modification using the 2nd plate 27 which has the opening 58a-58j diagonally, the effect similar to the modification shown in FIG. 12 can be show | played.

ここで、図1で示した単セル20を例に取り、当該単セルを有する燃料電池の端部構成およびスタック構成について説明する。図15は単独の単セル20で燃料電池を構成する場合の様子を示す説明図、図16は単セル20を積層させて燃料電池を構成した場合の様子を示す説明図である。   Here, taking the unit cell 20 shown in FIG. 1 as an example, the end configuration and the stack configuration of the fuel cell having the unit cell will be described. FIG. 15 is an explanatory view showing a state in which a fuel cell is configured by a single unit cell 20, and FIG. 16 is an explanatory view showing a state in which a fuel cell is configured by stacking unit cells 20.

図15に示すように、単セル20単独の燃料電池では、第2プレート27,28の外側に、平板状のターミナル29を接合させた構成を有する。この燃料電池では、第2プレート27,28の開口55a〜55fを、その両側の電池外殻側のターミナル29と第1プレート25,26で塞ぐ。図16に示すように、単セル20を複数積層させたスタック構造では、隣り合う単セル20の間には、第2プレート27が一枚介在し、この一枚の第2プレート27にて、既述したように冷却流路(開口55a等)が表裏の第1プレート25にて塞がれて形成される。よって、単セル20を区切るだけの平板状のセパレータが不要となり、その分、薄肉化・軽量化を図ることができる。また、隣り合う単セル間では、冷却流路を形成する共通の第2プレート27が単独で存在するに過ぎないので、その分、部材の接触箇所が低減する。よって、接触抵抗が低減でき、電池性能上も有益である。   As shown in FIG. 15, the single-cell 20 single fuel cell has a configuration in which a flat terminal 29 is joined to the outside of the second plates 27 and 28. In this fuel cell, the openings 55 a to 55 f of the second plates 27 and 28 are closed by the terminal 29 and the first plates 25 and 26 on the battery outer shell side on both sides thereof. As shown in FIG. 16, in the stack structure in which a plurality of single cells 20 are stacked, one second plate 27 is interposed between adjacent single cells 20. As described above, the cooling flow path (opening 55a and the like) is formed by being closed by the first and second first plates 25. Therefore, a flat plate separator that separates the single cells 20 is not necessary, and the thickness and weight can be reduced accordingly. Moreover, since the common 2nd plate 27 which forms a cooling flow path exists only between adjacent single cells, the contact location of a member reduces that much. Therefore, the contact resistance can be reduced, which is beneficial in terms of battery performance.

次に、燃料ガス・酸化ガスの流れ方向を直交させた場合について説明する。図17は燃料ガス・酸化ガスの流れ方向を直交させた燃料電池の単セルの概略断面図、図18は電解質層21の図示を略して第1プレート25,26と第2プレート27,28の関係を説明する斜視図である。   Next, the case where the flow directions of the fuel gas / oxidizing gas are orthogonal to each other will be described. FIG. 17 is a schematic cross-sectional view of a single cell of the fuel cell in which the flow directions of the fuel gas and the oxidizing gas are orthogonal to each other. FIG. It is a perspective view explaining a relationship.

図示するように、第1プレート25と第2プレート27については、既述した構成を有するが、第1プレート26は、凸部32を図における上下に亘ってブリッジ状となるように備え、第2プレート28は、第1プレート26の凸部32が図における縦方向に並んだとして、その列の間に位置するよう、開口70a〜70gを縦方向に亘って有する。この第1プレート26に第2プレート28を接合させれば、第2プレート28において、第1プレート26にて塞がれた開口70a〜70gが冷却媒体である水の流路となる。   As shown in the figure, the first plate 25 and the second plate 27 have the above-described configuration. However, the first plate 26 includes the convex portions 32 so as to form a bridge shape in the upper and lower directions in the drawing. The two plates 28 have openings 70a to 70g extending in the vertical direction so that the convex portions 32 of the first plate 26 are arranged in the vertical direction in the drawing so as to be positioned between the rows. If the 2nd plate 28 is joined to this 1st plate 26, in the 2nd plate 28, opening 70a-70g block | closed with the 1st plate 26 will become the flow path of the water which is a cooling medium.

そして、上記各プレートを用いた単セル20では、図示するように第1プレート25,26で凸部32の向きが異なることになる。よって、第1プレート25の側では、単セル内酸化ガス流路25aが図中上下の流れ方向で形成され、第1プレート26の側では、単セル内燃料ガス流路26aが紙面を手前から奥、或いはその逆の流れ方向で形成される。この場合、開口70a〜70gは、図における上下に延び、その範囲に亘って、第1プレート26で塞がれる。   And in the single cell 20 using each said plate, the direction of the convex part 32 differs in the 1st plates 25 and 26 so that it may show in figure. Therefore, on the first plate 25 side, the single-cell oxidizing gas flow path 25a is formed in the vertical flow direction in the figure, and on the first plate 26 side, the single-cell fuel gas flow path 26a faces the paper surface from the front. It is formed in the flow direction at the back or vice versa. In this case, the openings 70a to 70g extend in the vertical direction in the figure and are blocked by the first plate 26 over the range.

以上本発明の実施例について説明したが、本発明は上記の実施例や実施形態になんら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々なる態様で実施し得ることは勿論である。例えば、上記した実施例とその変形例では、単セル内ガス流路(酸化ガス流路・燃料ガス流路)形成のための凸部32を有する第1プレート25,26と触媒層との間にガス拡散層を設けたが、ガス拡散層を設けない構成とすることも可能である。ここで、ガス拡散層は、通常は第1プレート25よりも柔らかい(構成材料の硬度が低い、あるいは部材としての圧縮弾性率が高い)部材によって形成され、燃料電池における集電性を向上させるための部材である。すなわち、ガス拡散層は、触媒層との間で、第1プレート25よりも接触面積をより大きく確保可能な部材であるため、触媒層と第1プレート25(詳しくは凸部32の頂上面)との間に配設されることで、集電性を向上させることができる。しかしながら、集電性が許容範囲であれば、ガス拡散層を設けることなく触媒層に第1プレート25(詳しくは凸部32の頂上面)とを直接接触させることとしても良い。   Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to the above-described embodiments and embodiments, and can of course be implemented in various modes without departing from the gist of the present invention. is there. For example, in the above-described embodiments and modifications thereof, the first plate 25, 26 having the convex portion 32 for forming the gas flow path in the single cell (oxidation gas flow path / fuel gas flow path) and the catalyst layer are provided. Although the gas diffusion layer is provided in the structure, it is possible to adopt a configuration in which the gas diffusion layer is not provided. Here, the gas diffusion layer is usually formed of a member that is softer than the first plate 25 (the hardness of the constituent material is low, or the compression elastic modulus as the member is high), in order to improve the current collecting performance in the fuel cell. It is a member. That is, since the gas diffusion layer is a member that can ensure a larger contact area with the catalyst layer than the first plate 25, the catalyst layer and the first plate 25 (specifically, the top surface of the convex portion 32). The current collecting property can be improved. However, if the current collecting property is within an allowable range, the first plate 25 (specifically, the top surface of the convex portion 32) may be brought into direct contact with the catalyst layer without providing the gas diffusion layer.

また、凸部32を有する第1プレート25と、この第1プレート25で流路を塞がれる第2プレート27とを固体高分子型燃料電池に設けているが、異なる種類の燃料電池に適用することも可能である。他種の燃料電池であっても、高い電池冷却機能と電池薄肉化を両立することができる。   In addition, although the first plate 25 having the convex portion 32 and the second plate 27 whose flow path is blocked by the first plate 25 are provided in the polymer electrolyte fuel cell, they are applied to different types of fuel cells. It is also possible to do. Even with other types of fuel cells, both a high battery cooling function and a thin battery can be achieved.

また、図15や図16において、単セル20をブリッジ状の凸部32を有するものとしたが、閉塞状の凸部32(図12,図13参照)を有する第1プレート25,26を用いるようにすることもできる。さらには、図15や図16において、単セル20を、電解質層21の左右の第2プレート27,28がガスの流れが直交するような凸部32を有するもの(図17、図18参照)とすることもできる。   15 and 16, the single cell 20 has the bridge-like convex portion 32, but the first plates 25 and 26 having the closed convex portion 32 (see FIGS. 12 and 13) are used. It can also be done. Further, in FIG. 15 and FIG. 16, the single cell 20 has a convex portion 32 in which the left and right second plates 27 and 28 of the electrolyte layer 21 are perpendicular to the gas flow (see FIGS. 17 and 18). It can also be.

実施例の燃料電池を構成する単セル20の構成の概略を現わす断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram showing the outline of the structure of the single cell 20 which comprises the fuel cell of an Example. 第1プレート25と第2プレート27とを一部拡大しつつ分解して模式的に表した斜視図である。It is the perspective view which disassembled and represented typically the 1st plate 25 and the 2nd plate 27 expanding partially. 第1プレート25の作製プロセスを示す手順フローである。3 is a procedure flow showing a manufacturing process of the first plate 25. 第1プレート25の製造の様子を説明するための説明図である。It is explanatory drawing for demonstrating the mode of manufacture of the 1st plate. 第1プレート25と第2プレート27とを接合させた状態を表す斜視図である。It is a perspective view showing the state where the 1st plate 25 and the 2nd plate 27 were joined. 図5の6−6線に沿った概略断面図である。FIG. 6 is a schematic cross-sectional view taken along line 6-6 in FIG. 図5の7−7線に沿った概略断面図である。It is a schematic sectional drawing in alignment with line 7-7 in FIG. 図5における凸部32の形成箇所に沿って折れ曲がった8−8線に沿った概略断面図である。It is a schematic sectional drawing in alignment with the 8-8 line | wire bent along the formation location of the convex part 32 in FIG. 凸部32が左右に湾曲した並びで存在するとした場合の第1プレート25と第2プレート27を表す変形例の概略斜視図である。It is a schematic perspective view of the modification showing the 1st plate 25 and the 2nd plate 27 when it assumes that the convex part 32 exists in the arrangement | sequence curved left and right. 凸部32を縦横に並べた一変形例を示す第1プレート25と第2プレート27の略斜視図である。FIG. 5 is a schematic perspective view of a first plate 25 and a second plate 27 showing a modification in which convex portions 32 are arranged vertically and horizontally. 凸部32を縦横に並べた他の変形例を示す第1プレート25と第2プレート27の略斜視図である。FIG. 9 is a schematic perspective view of a first plate 25 and a second plate 27 showing another modified example in which convex portions 32 are arranged vertically and horizontally. 凸部32を隆起側壁が塞がれた閉塞状の突起とした変形例における第1プレート25と第2プレート27の概略斜視図である。It is a schematic perspective view of the 1st plate 25 and the 2nd plate 27 in the modification which made the convex part 32 the obstruction | occlusion-like protrusion with which the protruding side wall was block | closed. 図12における13−13線に沿った概略断面図である。It is a schematic sectional drawing in alignment with line 13-13 in FIG. 閉塞状の凸部32を用いた場合における第2プレート27の開口の形成の様子の変形例を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the modification of the mode of formation of opening of the 2nd plate 27 at the time of using the block-shaped convex part 32. FIG. 単独の単セル20で燃料電池を構成する場合の様子を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the mode in the case of comprising a fuel cell with the single unit cell 20. FIG. 単セル20を積層させて燃料電池を構成した場合の様子を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows a mode at the time of laminating | stacking the single cell 20 and comprising a fuel cell. 燃料ガス・酸化ガスの流れ方向を直交させた燃料電池の単セルの概略断面図である。It is a schematic sectional drawing of the single cell of the fuel cell which made the flow direction of fuel gas and oxidizing gas orthogonal. 電解質層21の図示を略して第1プレート25,26と第2プレート27,28の関係を説明する斜視図である。FIG. 4 is a perspective view illustrating the relationship between the first plates 25 and 26 and the second plates 27 and 28, omitting the illustration of the electrolyte layer 21.

符号の説明Explanation of symbols

20...単セル
21...電解質層
22,23...ガス拡散層
25,26...第1プレート
25a...単セル内酸化ガス流路
26a...単セル内燃料ガス流路
27,28...第2プレート
29...ターミナル
30...基板部
31...開口
32...凸部
32a...裏面凹所
32L...湾曲軌跡
35...スリット
40...流入開口
41...排出開口
42〜44...通過開口
45...プレス突起
46...プレス駒
50〜53...開口
55a〜55f...開口
56a〜56e...開口
57a〜57f...開口
58a〜58j...開口
59a,59b...開口
60...ガスケット
70a〜70g...開口
20 ... single cell 21 ... electrolyte layer 22,23 ... gas diffusion layer 25,26 ... first plate 25a ... single cell oxidizing gas flow path 26a ... single cell fuel gas Flow path 27, 28 ... Second plate 29 ... Terminal 30 ... Substrate part 31 ... Opening 32 ... Convex part 32a ... Back side recess 32L ... Curved locus 35 ... Slit 40 ... Inflow opening 41 ... Discharge opening 42-44 ... Passing opening 45 ... Press projection 46 ... Press piece 50-53 ... Opening 55a-55f ... Opening 56a-56e ... Openings 57a-57f ... Openings 58a-58j ... Openings 59a, 59b ... Openings 60 ... Gaskets 70a-70g ... Openings

Claims (7)

表面に触媒層を備えた電解質層に対してガス供給と冷却媒体による冷却とを行う燃料電池であって、
複数の突起を備え、該突起を前記電解質層の側に位置させることで、前記電解質層の主面側にガス供給用のガス流路を形成する金属製の第1プレートと、
該第1プレートに接合する金属製の第2プレートとを備え、
該第2プレートは、前記第1プレートにおける前記突起形成面とは反対側の面で前記第1プレートと接合することで、前記冷却媒体を通過させる冷却用流路を前記第1プレートのプレート面で塞がれるようにして形成する
燃料電池。
A fuel cell that performs gas supply and cooling with a cooling medium on an electrolyte layer having a catalyst layer on its surface,
A first plate made of metal that includes a plurality of protrusions and forms a gas flow path for gas supply on the main surface side of the electrolyte layer by positioning the protrusions on the electrolyte layer side;
A metal second plate joined to the first plate,
The second plate is joined to the first plate on a surface opposite to the projection forming surface of the first plate, thereby providing a cooling flow path for allowing the cooling medium to pass through the plate surface of the first plate. A fuel cell that is formed so as to be blocked by a fuel cell.
請求項1記載の燃料電池であって、
前記第1プレートは、前記突起を突起側壁が貫通したブリッジ状突起として多列に備え、
前記第2プレートは、前記冷却用流路を、前記第1プレートの前記ブリッジ状突起の列と列との間と重なる位置に備える
燃料電池。
The fuel cell according to claim 1, wherein
The first plate comprises the protrusions in multiple rows as bridge-like protrusions through which the protrusion side walls pass,
The second plate includes the cooling flow path at a position overlapping the row of the bridge-like protrusions of the first plate.
請求項1記載の燃料電池であって、診療
前記第1プレートは、前記突起を突起側壁が閉塞した閉塞状突起として多列に備え、
前記第2プレートは、前記冷却用流路を、前記第1プレートの前記閉塞状突起の列と重なる位置に備える
燃料電池。
2. The fuel cell according to claim 1, wherein the first plate includes the projections in multiple rows as closed projections in which projection sidewalls are closed,
The second plate includes the cooling flow path at a position overlapping the row of the closed projections of the first plate.
請求項1ないし請求項3いずれか記載の燃料電池であって、
前記第2プレートは、前記冷却用流路を打ち抜き孔で形成する
燃料電池。
A fuel cell according to any one of claims 1 to 3,
The second plate forms the cooling flow path with a punched hole.
表面に触媒層を備えた電解質層を含む単セルを積層した燃料電池であって、
前記単セルのそれぞれは、
複数の突起を備え、該突起を前記電解質層の側に位置させることで、前記電解質層の主面側にガス供給用のガス流路を形成する金属製の第1プレートを前記電解質の両側に備え、
隣り合う単セルの間には、
前記単セルごとの前記第1プレートに接合・挟持される金属製のプレートであって、両側の前記第1プレートと接合することで、前記冷却媒体を通過させる冷却用流路を前記第1プレートのプレート面で塞がれるようにして形成する第2プレートを備え、
該第2プレートは、前記冷却用流路を打ち抜き孔として備える
燃料電池。
A fuel cell in which a single cell including an electrolyte layer having a catalyst layer on the surface is laminated,
Each of the single cells
A plurality of protrusions are provided, and the protrusions are positioned on the side of the electrolyte layer so that a first metal plate that forms a gas flow path for gas supply on the main surface side of the electrolyte layer is formed on both sides of the electrolyte. Prepared,
Between adjacent single cells,
A metal plate joined to and sandwiched by the first plate for each unit cell, and a cooling flow path through which the cooling medium passes by joining the first plate on both sides of the first plate. A second plate formed so as to be blocked by the plate surface of
The second plate includes the cooling channel as a punching hole.
表面に触媒層を備えた電解質層に対してガス供給と冷却媒体による冷却とを行う燃料電池の製造方法であって、
(a)複数の突起を備える金属製の第1プレートを準備する工程と、
(b)金属製のプレートであって、打ち抜き孔を多列に有する第2プレートを準備する工程と、
(c)前記第1プレートの前記突起を前記電解質層の側に位置させて前記電解質層の主面側にガス供給用のガス流路を形成するよう、前記電解質層の両側に前記第1プレートを配設する工程と、
(d)前記第2プレートの前記打ち抜き孔を前記第1プレートのプレート面で塞ぐことで該塞がれた打ち抜き孔を前記冷却媒体を通過させる冷却用流路として形成するよう、前記第2プレートを前記第1プレートに接合する工程とを備える
燃料電池の製造方法。
A fuel cell manufacturing method for performing gas supply and cooling with a cooling medium on an electrolyte layer having a catalyst layer on a surface,
(A) preparing a metal first plate having a plurality of protrusions;
(B) a step of preparing a second plate which is a metal plate and has punched holes in multiple rows;
(C) The first plate on both sides of the electrolyte layer so that the projection of the first plate is positioned on the electrolyte layer side and a gas flow path for gas supply is formed on the main surface side of the electrolyte layer. A step of arranging
(D) Closing the punched hole of the second plate with the plate surface of the first plate to form the closed punched hole as a cooling flow path through which the cooling medium passes. And a step of joining the first plate to the first plate.
請求項6記載の燃料電池の製造方法であって、
前記第1プレートを準備する工程(a)は、
前記複数の突起を形成するに際して、平板状の金属プレートの所定位置に、対向するスリットを形成し、該スリット間を凸形状の金型でプレスする
燃料電池の製造方法。
A method of manufacturing a fuel cell according to claim 6,
The step (a) of preparing the first plate includes:
A method of manufacturing a fuel cell, wherein when forming the plurality of protrusions, opposing slits are formed at predetermined positions on a flat metal plate, and a space between the slits is pressed with a convex mold.
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