JP2008282590A - Fuel cell - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To enhance a flow distribution characteristic of reaction gas in a power generation part of a fuel cell. <P>SOLUTION: The fuel cell 100 is equipped with a membrane electrode assembly 10 interposed between separators SP. The membrane electrode assembly 10 is equipped with a power generation part 11 including an electrolyte membrane 13; and two or more manifolds M3a to M3d, M4a to M4d for the same kind of reaction gas, installed along one side of the power generation part. A gas passage member 18 forming a reaction gas passage is arranged between the power generation part 11 of the membrane electrode assembly 10 and the separator SP. The gas passage member 18 is fixed to the separator SP with two or more joining portions CS. The Joining portions CP are unevenly arranged in the direction in which two or more manifold holes M3a to M3d, M4a to M4d are arranged to guide gas. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

この発明は、燃料電池に関する。   The present invention relates to a fuel cell.

燃料電池は、通常、膜電極接合体が2枚のセパレータに挟持されている。膜電極接合体の発電部の外周には、燃料電池の外部から発電が行われる発電部へと反応ガス(アノードガス及びカソードガス)の供給及び排出を行うためのマニホールド孔が貫通孔として設けられている。セパレータには、反応ガスをマニホールド孔から発電部へと誘導するためのガス流路が設けられている(特許文献1等)。   In a fuel cell, a membrane electrode assembly is usually sandwiched between two separators. On the outer periphery of the power generation section of the membrane electrode assembly, manifold holes are provided as through holes for supplying and discharging reaction gases (anode gas and cathode gas) to and from the power generation section where power generation is performed from the outside of the fuel cell. ing. The separator is provided with a gas flow path for guiding the reaction gas from the manifold hole to the power generation unit (Patent Document 1, etc.).

特開2000−323149JP 2000-323149 A 特開2004−139827JP-A-2004-139825 特開2002−503381JP-A-2002-503381 特開2005−190745JP 2005-190745 A 特開2000−100454JP2000-1000045

ところで、燃料電池の発電効率を向上させるためには、発電部における反応ガスの流量分布が均一であることが好ましい。一方、燃料電池は車両などの限られた空間に配置するために小型化することが好ましく、マニホールド孔を設けることができる領域が制限される場合がある。この場合には、例えば、マニホールド孔からの距離が遠い発電部の領域には、反応ガスが十分に供給できないなど、発電部におけるガスの流量が不均一となる可能性がある。しかし、従来はこうした問題に対して十分な工夫がなされてこなかったのが実情であった。   By the way, in order to improve the power generation efficiency of the fuel cell, it is preferable that the flow rate distribution of the reaction gas in the power generation unit is uniform. On the other hand, it is preferable to reduce the size of the fuel cell in order to arrange it in a limited space such as a vehicle, and the area where the manifold hole can be provided may be limited. In this case, there is a possibility that the gas flow rate in the power generation unit becomes non-uniform, for example, the reaction gas cannot be sufficiently supplied to the region of the power generation unit far from the manifold hole. However, in the past, the actual situation was that no sufficient ingenuity has been made for these problems.

本発明は、燃料電池の発電部における反応ガスの配流性を向上する技術を提供することを目的とする。   An object of this invention is to provide the technique which improves the distribution property of the reactive gas in the electric power generation part of a fuel cell.

本発明の一形態は、2枚のセパレータに挟持された膜電極接合体を備える燃料電池であって、前記膜電極接合体は、電解質膜を含む発電部と、前記発電部の一辺に沿って配列して設けられた反応ガスのための同一種類の複数のマニホールド孔とを備え、前記膜電極接合体の前記発電部と前記セパレータとの間には、反応ガスの流路を形成するガス流路部材が配置され、前記ガス流路部材は、複数の接合部位によって前記セパレータに固定されており、前記接合部位は、前記複数のマニホールド孔の配列方向に渡って不均一に配置されていることを特徴とする。   One aspect of the present invention is a fuel cell including a membrane electrode assembly sandwiched between two separators, the membrane electrode assembly including a power generation unit including an electrolyte membrane and one side of the power generation unit. A plurality of manifold holes of the same type for reaction gases provided in an array, and a gas flow that forms a reaction gas flow path between the power generation unit of the membrane electrode assembly and the separator. A passage member is disposed, and the gas flow path member is fixed to the separator by a plurality of joint portions, and the joint portions are non-uniformly arranged in the arrangement direction of the plurality of manifold holes. It is characterized by.

この構成によれば、接合部位の分布によって発電部におけるガスの流量分布を変化させることができ、発電部におけるガスの配流性を向上させることができる。   According to this configuration, the flow rate distribution of the gas in the power generation unit can be changed depending on the distribution of the joint portions, and the gas distribution property in the power generation unit can be improved.

前記発電部は、前記複数のマニホールド孔を前記発電部の一辺に向かう方向に沿って投影したときに、前記複数のマニホールド孔が投影される領域であるマニホールド孔領域と、前記複数のマニホールド孔が投影されない領域である非マニホールド孔領域とを有し、前記接合部位は、前記非マニホールド孔領域よりも、前記マニホールド孔領域の方に多く設けられているものとしても良い。   The power generation unit includes a manifold hole region, which is a region where the plurality of manifold holes are projected when the plurality of manifold holes are projected along a direction toward one side of the power generation unit, and the plurality of manifold holes. A non-manifold hole region that is a non-projected region, and more joint sites may be provided in the manifold hole region than in the non-manifold hole region.

この構成によれば、マニホールド孔領域から非マニホールド孔領域へと流れるガスの流量を増大させることができる。従って、発電部におけるガスの配流性を向上させることができる。   According to this configuration, the flow rate of the gas flowing from the manifold hole region to the non-manifold hole region can be increased. Therefore, the gas distribution property in the power generation unit can be improved.

前記発電部は、前記接合部位が密集した接合部位密集領域と、前記接合部位が存在しない非接合領域とを有しており、前記接合部位密集領域は、前記複数のマニホールド孔から前記発電部の一辺に向う方向に沿って見たときに前記マニホールド孔の端部を通る直線の近傍に設けられているものとしても良い。   The power generation unit has a junction site dense region where the junction sites are dense and a non-joint region where the junction site does not exist, and the junction site dense region is connected to the power generation unit from the plurality of manifold holes. It is good also as what is provided in the vicinity of the straight line which passes along the edge part of the said manifold hole when it sees along the direction which goes to one side.

この構成によれば、接合部位密集領域から非接合領域へとガスが流れるため、マニホールド孔に隣り合うガス流量の低い領域へとガスを誘導することができる。従って、発電部におけるガスの配流性を向上させることができる。   According to this configuration, since the gas flows from the junction site dense region to the non-joint region, the gas can be guided to a region having a low gas flow rate adjacent to the manifold hole. Therefore, the gas distribution property in the power generation unit can be improved.

前記複数のマニホールド孔は、互いに隣り合う第1と第2のマニホールド孔とを含み、前記接合部位密集領域は、第1と第2の接合部位密集領域を含み、前記第1と第2の接合部位密集領域に挟まれた前記非接合領域の中心を通り、前記複数のマニホールド孔の配列方向に垂直な第1の中心線は、前記第1と第2のマニホールド孔のそれぞれから等距離にある第2の中心線とほぼ重なるものとしても良い。   The plurality of manifold holes include first and second manifold holes adjacent to each other, and the junction site dense region includes first and second junction site dense regions, and the first and second junctions are provided. A first center line that passes through the center of the non-bonded region sandwiched between the region-concentrated regions and is perpendicular to the arrangement direction of the plurality of manifold holes is equidistant from each of the first and second manifold holes. It may be substantially overlapped with the second center line.

この構成によれば、第1と第2のマニホールド孔から発電部の一辺に向かって垂直に見たときに第1と第2のマニホールド孔に挟まれた発電部の領域へとガスを誘導することができる。従って、当該領域におけるガスの配流性を向上することができる。   According to this configuration, the gas is guided to the region of the power generation unit sandwiched between the first and second manifold holes when viewed vertically from the first and second manifold holes toward one side of the power generation unit. be able to. Therefore, the gas distribution property in the region can be improved.

前記接合部位は、前記発電部のうち触媒が担持された触媒層を含む領域には設けられていないものとしても良い。   The joining portion may not be provided in a region including the catalyst layer on which the catalyst is supported in the power generation unit.

この構成によれば、触媒層を含む発電部において発電面積が接合部位を設けることによって減少することを防止することができる。従って、発電面積を確保しつつ、発電部におけるガスの配流性を向上させることができる。   According to this structure, it can prevent that a power generation area reduces by providing a junction part in the electric power generation part containing a catalyst layer. Therefore, the gas distribution property in the power generation unit can be improved while securing the power generation area.

なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池、その燃料電池を備えた燃料電池システム、その燃料電池システムを搭載した車両等の形態で実現することができる。   The present invention can be realized in various forms, for example, in the form of a fuel cell, a fuel cell system including the fuel cell, a vehicle equipped with the fuel cell system, and the like. .

A.第1実施例:
図1(A)は、本発明の一実施例としての燃料電池の構成を示す概略図である。この燃料電池100は、燃料ガスと酸化ガス(反応ガス)の供給を受けて、その電気化学反応(燃料電池反応)によって発電する固体高分子型燃料電池である。具体的には、膜電極接合体10のアノード電極側にアノードガス(燃料ガス)として水素が供給され、カソード電極側にカソードガス(酸化ガス)として酸素を含有する高圧空気が供給される。なお、燃料電池100としては、固体高分子型燃料電池でなくとも良く、任意の種々のタイプの燃料電池に本発明を適用することが可能である。
A. First embodiment:
FIG. 1A is a schematic diagram showing the configuration of a fuel cell as an embodiment of the present invention. The fuel cell 100 is a polymer electrolyte fuel cell that receives supply of a fuel gas and an oxidizing gas (reactive gas) and generates power by an electrochemical reaction (fuel cell reaction). Specifically, hydrogen is supplied as an anode gas (fuel gas) to the anode electrode side of the membrane electrode assembly 10, and high-pressure air containing oxygen is supplied to the cathode electrode side as a cathode gas (oxidizing gas). The fuel cell 100 may not be a polymer electrolyte fuel cell, and the present invention can be applied to any of various types of fuel cells.

この燃料電池100は、膜電極接合体10とセパレータSPとが交互に積層されたスタック構造を有している。セパレータSPは、カソードプレートSPcと、中間プレートSPiと、アノードプレートSPaとを備えている。膜電極接合体10のカソード電極側にはカソードプレートSPcが配置され、アノード電極側にはアノードプレートSPaが配置されており、中間プレートSPiは、2つのプレートSPc、SPaによって挟持されている。   The fuel cell 100 has a stack structure in which membrane electrode assemblies 10 and separators SP are alternately stacked. The separator SP includes a cathode plate SPc, an intermediate plate SPi, and an anode plate SPa. A cathode plate SPc is disposed on the cathode electrode side of the membrane electrode assembly 10, an anode plate SPa is disposed on the anode electrode side, and the intermediate plate SPi is sandwiched between two plates SPc and SPa.

図1(B)は、燃料電池100が締結された状態を示す斜視図である。燃料電池100は、2つのエンドプレート21、22によって挟持された状態で、締結部材20によって締結されている。なお、燃料電池100の積層方向上側のエンドプレート21には、後述する燃料電池100のマニホールド孔と燃料電池100の外部の配管とを連結する貫通孔が設けられているが、図示は省略してある。   FIG. 1B is a perspective view showing a state in which the fuel cell 100 is fastened. The fuel cell 100 is fastened by the fastening member 20 while being sandwiched between the two end plates 21 and 22. The end plate 21 on the upper side in the stacking direction of the fuel cell 100 is provided with a through hole for connecting a manifold hole of the fuel cell 100 described later and a pipe outside the fuel cell 100, but the illustration is omitted. is there.

2つのエンドプレート21、22は、燃料電池100の積層方向に沿って見たときに、膜電極接合体10及びセパレータSPとほぼ重なる略長方形部材である。締結部材20の直棒状のシャフト部20sは、2つのエンドプレート21、22の四隅CN及び互いに対向する2つの長辺の中央部SCの計6箇所において、2つのエンドプレート21、22を貫通している。シャフト部20sの両端にはナット部20nが設けられており、ナット部20nをネジ締めすることによって、燃料電池100は、その積層方向に締結荷重を受ける。   The two end plates 21 and 22 are substantially rectangular members that substantially overlap the membrane electrode assembly 10 and the separator SP when viewed along the stacking direction of the fuel cell 100. The straight rod-shaped shaft portion 20s of the fastening member 20 passes through the two end plates 21 and 22 at a total of six locations, namely, the four corners CN of the two end plates 21 and 22 and the central portion SC of the two long sides facing each other. ing. Nut portions 20n are provided at both ends of the shaft portion 20s, and the fuel cell 100 receives a fastening load in the stacking direction by screwing the nut portion 20n.

なお、膜電極接合体10及びセパレータSPには、積層方向に沿って見たときに、エンドプレート21、22の四隅CNと重なる部位には、角凹部CV1が設けられており、長辺中央部SCに重なる部位には中央凹部CV2が設けられいる。即ち、シャフト部20sは、2種類の凹部CV1、CV2のいずれかを通って2つのエンドプレート21、22を貫通している。このように、この燃料電池100は、締結部材20を配置するための凹部CV1、CV2を設けた分だけ体積が減少し、小型化されている。   Note that the membrane electrode assembly 10 and the separator SP are provided with corner recesses CV1 at portions overlapping with the four corners CN of the end plates 21 and 22 when viewed in the stacking direction. A central recess CV2 is provided in a portion overlapping the SC. That is, the shaft portion 20s passes through the two end plates 21 and 22 through one of the two types of concave portions CV1 and CV2. As described above, the fuel cell 100 is reduced in size by the amount corresponding to the provision of the recesses CV1 and CV2 for disposing the fastening member 20.

図2は、膜電極接合体10のアノード電極側の構成を示す概略図である。なお、膜電極接合体10のカソード電極側の構成は、アノード電極側と同様の構成であるため、図示は省略する。   FIG. 2 is a schematic view showing a configuration of the membrane electrode assembly 10 on the anode electrode side. The configuration of the membrane electrode assembly 10 on the cathode electrode side is the same as that on the anode electrode side, and is not shown.

この膜電極接合体10は、燃料電池反応が行われる発電部11と、発電部11を囲む外周シール枠部12とを備えた略長方形の部材である。膜電極接合体10の四隅及び対向する2つの長辺の中央付近には、上述した締結部材20のシャフト部20sを通すための2種類の凹部CV1、CV2が設けられている。   The membrane electrode assembly 10 is a substantially rectangular member including a power generation unit 11 in which a fuel cell reaction is performed and an outer peripheral seal frame unit 12 surrounding the power generation unit 11. Two types of concave portions CV1 and CV2 for passing the shaft portion 20s of the fastening member 20 described above are provided in the four corners of the membrane electrode assembly 10 and the vicinity of the center of the two opposing long sides.

外周シール枠部12には、貫通孔であるマニホールド孔M1、M2、M3a〜M3d、M4a〜M4d、M5、M6が設けられている。マニホールド孔M1は、アノードガスの供給を担い、マニホールド孔M2は、反応に供されることのなかった水素を含むアノード排ガスの排出を担う。4つのマニホールド孔M3a〜M3dは、カソードガスの供給を担い、4つのマニホールド孔M4a〜M4dは、反応に供されることのなかった酸素及び、燃料電池反応によって発生した水分を含むカソード排ガスの排出を担う。マニホールド孔M5は、燃料電池反応によって発生する反応熱を冷却するための冷媒の供給を担い、マニホールド孔M6は冷媒の排出を担う。   The outer peripheral seal frame portion 12 is provided with manifold holes M1, M2, M3a to M3d, M4a to M4d, M5, and M6 which are through holes. The manifold hole M1 is responsible for supplying the anode gas, and the manifold hole M2 is responsible for discharging the anode exhaust gas containing hydrogen that has not been subjected to the reaction. The four manifold holes M3a to M3d are responsible for supplying cathode gas, and the four manifold holes M4a to M4d are discharges of cathode exhaust gas containing oxygen that has not been subjected to the reaction and moisture generated by the fuel cell reaction. Take on. The manifold hole M5 is responsible for supplying a refrigerant for cooling reaction heat generated by the fuel cell reaction, and the manifold hole M6 is responsible for discharging the refrigerant.

アノードガス供給用のマニホールド孔M1と冷媒供給用のマニホールド孔M5は、膜電極接合体10の同一短辺に沿って設けられている。アノードガス排出用のマニホールド孔M2と、冷媒排出用のマニホールド孔M6も同様である。マニホールド孔M1とマニホールド孔M2とは、発電部11を挟んで対角の位置に設けられており、マニホールド孔M5とマニホールド孔M6とは、発電部11を挟んで対角の位置に設けられている。   The anode hole M1 for supplying anode gas and the manifold hole M5 for supplying refrigerant are provided along the same short side of the membrane electrode assembly 10. The same applies to the manifold hole M2 for discharging the anode gas and the manifold hole M6 for discharging the refrigerant. The manifold hole M1 and the manifold hole M2 are provided at diagonal positions across the power generation unit 11, and the manifold hole M5 and the manifold hole M6 are provided at diagonal positions across the power generation unit 11. Yes.

カソードガス供給用の4つのマニホールド孔M3a〜M3dとカソード排ガス排出用の4つのマニホールド孔M4a〜M4dのそれぞれは、発電部11を挟んで対向する長辺に沿って設けられている。なお、供給用の2つのマニホールド孔M3a、M3bと2つのマニホールド孔M3c、M3dとの間には、中央凹部CV2が設けられている。同様に、排出用の2つのマニホールド孔M4a、M4bと2つのマニホールド孔M4c、M4dとの間にも、中央凹部CV2が設けられている。   Each of the four manifold holes M3a to M3d for supplying the cathode gas and the four manifold holes M4a to M4d for discharging the cathode exhaust gas are provided along the long sides facing each other with the power generation unit 11 in between. A central recess CV2 is provided between the two manifold holes M3a and M3b for supply and the two manifold holes M3c and M3d. Similarly, a central recess CV2 is also provided between the two manifold holes M4a and M4b for discharge and the two manifold holes M4c and M4d.

外周シール枠部12の表面には、シールラインSL(二条線で図示)が、各マニホールド孔M1〜M6及び発電部11を囲むように設けられている。シールラインSLは、流体の漏洩を防止するためのものである。なお、外周シール枠部12としては、シリコンゴムなどの絶縁性シール部材で構成することができる。   On the surface of the outer peripheral seal frame portion 12, a seal line SL (illustrated by two lines) is provided so as to surround the manifold holes M <b> 1 to M <b> 6 and the power generation unit 11. The seal line SL is for preventing fluid leakage. The outer peripheral seal frame portion 12 can be formed of an insulating seal member such as silicon rubber.

図3は、図2に示す3−3切断における膜電極接合体10の断面を示す断面図であり、2つのセパレータSPで挟持された状態を示している。発電部11には、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を示す電解質膜13が含まれる。電解質膜13は、アノード電極層14aとカソード電極層14cとで挟持されている。電解質膜13は、その外周縁である膜端部13eが2つの電極層14a、14cの外周縁から突出している。膜端部13eは、外周シール枠部12によって被覆されている。これによって、膜端部13eの付近におけるクロスリークの発生が抑制される。ここで、「クロスリーク」とは、燃料電池の発電の際にアノード電極側の水素が反応に供されることなくカソード電極側に移動してしまう現象をいう。   FIG. 3 is a cross-sectional view showing a cross section of the membrane electrode assembly 10 taken along the line 3-3 shown in FIG. 2, and shows a state of being sandwiched between two separators SP. The power generation unit 11 includes an electrolyte membrane 13 that exhibits good proton conductivity in a wet state. The electrolyte membrane 13 is sandwiched between the anode electrode layer 14a and the cathode electrode layer 14c. The electrolyte membrane 13 has a film end 13e which is an outer peripheral edge thereof protruding from the outer peripheral edges of the two electrode layers 14a and 14c. The film end portion 13 e is covered with the outer peripheral seal frame portion 12. As a result, the occurrence of cross leak in the vicinity of the film end 13e is suppressed. Here, “cross leak” refers to a phenomenon in which hydrogen on the anode electrode side moves to the cathode electrode side without being subjected to a reaction during power generation of the fuel cell.

2つの電極層14a、14cは、ガス拡散層15と触媒層16とを備えている。ガス拡散層15は、2つの電極層14a、14cの電解質膜13と接しない面にそれぞれ設けられており、供給された反応ガスを電解質膜13の全体に行き渡らせる機能を有する。ガス拡散層15は、例えば、カーボンペーパなどで構成できる。触媒層16は、2つの電極層14a、14cの電解質膜13と接する面に、燃料電池反応を促進するための触媒を担持させることによって設けられている。触媒としては、例えば白金(Pt)を採用することができる。ところで、発電部11には、2つの電極層14a、14cに触媒層16が設けられている領域と設けられていない領域とが存在する。触媒層16が設けられている領域を特に「主発電部11c」と呼び、図2において破線で示す。発電部11は、特にこの主発電部11cにおいて燃料電池反応が活発に行われる。   The two electrode layers 14 a and 14 c include a gas diffusion layer 15 and a catalyst layer 16. The gas diffusion layers 15 are provided on the surfaces of the two electrode layers 14 a and 14 c that do not contact the electrolyte membrane 13, respectively, and have a function of spreading the supplied reaction gas over the entire electrolyte membrane 13. The gas diffusion layer 15 can be composed of, for example, carbon paper. The catalyst layer 16 is provided by supporting a catalyst for promoting the fuel cell reaction on the surfaces of the two electrode layers 14a and 14c that are in contact with the electrolyte membrane 13. For example, platinum (Pt) can be employed as the catalyst. By the way, the power generation unit 11 includes a region where the catalyst layer 16 is provided on the two electrode layers 14 a and 14 c and a region where the catalyst layer 16 is not provided. The region where the catalyst layer 16 is provided is particularly called “main power generation section 11c” and is indicated by a broken line in FIG. In the power generation unit 11, the fuel cell reaction is actively performed particularly in the main power generation unit 11c.

膜電極接合体10が2枚のセパレータSPで挟持される際に、2つの電極層14a、14cとセパレータSPとの間にはガス流路部材18が配置される。ガス流路部材18は、発電部11全体を覆うように配置され、2つの電極層14a、14cとセパレータSPの両者に接するように配置される。ガス流路部材18は、2つの電極層14a、14cの全体に供給された反応ガスを行き渡らせる機能を有しており、発電された電気の導電経路としての機能も有する。ガス流路部材18としては、導電性の多孔質部材や、金属プレートを加工して複数の貫通孔が網目状に設けられた部材などによって構成することができる。   When the membrane electrode assembly 10 is sandwiched between the two separators SP, the gas flow path member 18 is disposed between the two electrode layers 14a and 14c and the separator SP. The gas flow path member 18 is disposed so as to cover the entire power generation unit 11, and is disposed so as to be in contact with both the two electrode layers 14 a and 14 c and the separator SP. The gas flow path member 18 has a function of spreading the reaction gas supplied to the whole of the two electrode layers 14a and 14c, and also has a function as a conductive path for the generated electricity. The gas flow path member 18 can be configured by a conductive porous member, a member obtained by processing a metal plate, and a plurality of through holes provided in a mesh shape.

外周シール枠部12に設けられたシールラインSLは、図3に示すように突起部17(リップ)として設けられおり、アノード電極側及びカソード電極側のそれぞれの対向する位置に設けられている。突起部17は、アノード電極側及びカソード電極側の両側からセパレータSPで押圧されることによってシール性を実現する。   As shown in FIG. 3, the seal line SL provided in the outer peripheral seal frame portion 12 is provided as a protrusion 17 (lip), and is provided at a position facing each other on the anode electrode side and the cathode electrode side. The protrusion 17 realizes a sealing property by being pressed by the separator SP from both sides of the anode electrode side and the cathode electrode side.

図4は、セパレータSPを構成するアノードプレートSPaの構成を示す概略図であり、中間プレートSPi(図1(A))と接する面側を示している。なお、図4には、燃料電池100を積層方向に沿って見たときに、膜電極接合体10の発電部11と重なる領域を一点鎖線で示し、主発電部11cと重なる領域を破線で示してある。   FIG. 4 is a schematic diagram showing the configuration of the anode plate SPa that constitutes the separator SP, and shows the surface side in contact with the intermediate plate SPi (FIG. 1A). In FIG. 4, when the fuel cell 100 is viewed along the stacking direction, a region overlapping the power generation unit 11 of the membrane electrode assembly 10 is indicated by a one-dot chain line, and a region overlapping the main power generation unit 11 c is indicated by a broken line. It is.

アノードプレートSPaは、マニホールド孔M1〜M6と、2種類の凹部CV1、CV2とが膜電極接合体10(図2)と同様に設けられている。アノードプレートSPaの発電部11の領域内には、貫通孔であるアノードガス流入孔P1及びアノード排ガス流出孔P2が設けられている。アノードガス流入孔P1は、主発電部11cとカソードガス供給用マニホールド孔M3a〜M3との間に、発電部11の長辺に渡って設けられている。同様に、アノード排ガス流出孔P2は、主発電部11cとカソードガス排出用マニホールド孔M4a〜M4dとの間に設けられている。このアノードガス流入孔P1及びアノード排ガス流出孔P2を介して、膜電極接合体10のアノード電極側の発電部11へのアノードガスの供給・排出が行われる。具体的なアノードガスの流れについては後述する。なお、アノードプレートSPaとしては、カーボンや金属などの導電性部材によって構成することができる。   The anode plate SPa is provided with manifold holes M1 to M6 and two types of recesses CV1 and CV2 in the same manner as the membrane electrode assembly 10 (FIG. 2). In the region of the power generation unit 11 of the anode plate SPa, an anode gas inflow hole P1 and an anode exhaust gas outflow hole P2 which are through holes are provided. The anode gas inflow hole P1 is provided across the long side of the power generation unit 11 between the main power generation unit 11c and the cathode gas supply manifold holes M3a to M3. Similarly, the anode exhaust gas outflow hole P2 is provided between the main power generation unit 11c and the cathode gas discharge manifold holes M4a to M4d. Through the anode gas inflow hole P1 and the anode exhaust gas outflow hole P2, the anode gas is supplied to and discharged from the power generation unit 11 on the anode electrode side of the membrane electrode assembly 10. A specific anode gas flow will be described later. The anode plate SPa can be made of a conductive member such as carbon or metal.

図5は、セパレータSPを構成するカソードプレートSPcの構成を示す概略図であり、膜電極接合体10(図1(A))と接する面側を示している。図5は、アノードガス流入孔P1及びアノード排ガス流出孔P2に替えて、カソードガス流入孔P3及びカソード排ガス流出孔P4が設けられている点以外は、図4とほぼ同じである。なお、図5には、燃料電池100を積層方向に沿って見たときにアノードプレートSPaの2つの貫通孔P1、P2(図4)と重なる領域を二点鎖線で示してある。   FIG. 5 is a schematic diagram showing the configuration of the cathode plate SPc that constitutes the separator SP, and shows the surface side in contact with the membrane electrode assembly 10 (FIG. 1A). FIG. 5 is substantially the same as FIG. 4 except that a cathode gas inflow hole P3 and a cathode exhaust gas outflow hole P4 are provided instead of the anode gas inflow hole P1 and the anode exhaust gas outflow hole P2. In FIG. 5, a region that overlaps the two through holes P <b> 1 and P <b> 2 (FIG. 4) of the anode plate SPa when the fuel cell 100 is viewed along the stacking direction is indicated by a two-dot chain line.

カソードガス流入孔P3及びカソード排ガス流出孔P4は、発電部11の領域内に設けられた貫通孔である。カソードガス流入孔P3は、カソードガス供給用マニホールド孔M3a〜M3dとアノードガス流入孔P1との間に、発電部11の長辺に渡って設けられている。カソード排ガス流出孔P4は、カソードガス排出用マニホールド孔M4a〜M4dとアノード排ガス流出孔P2との間に発電部11の長辺に渡って設けられている。このカソードガス流入孔P3及びカソード排ガス流出孔P4を介して、膜電極接合体10のカソード電極側の発電部11へのカソードガスの供給・排出が行われる。具体的なカソードガスの流れについては後述する。   The cathode gas inflow hole P3 and the cathode exhaust gas outflow hole P4 are through holes provided in the region of the power generation unit 11. The cathode gas inflow hole P3 is provided across the long side of the power generation unit 11 between the cathode gas supply manifold holes M3a to M3d and the anode gas inflow hole P1. The cathode exhaust gas outflow hole P4 is provided across the long side of the power generation unit 11 between the cathode gas discharge manifold holes M4a to M4d and the anode exhaust gas outflow hole P2. Cathode gas is supplied to and discharged from the power generation unit 11 on the cathode electrode side of the membrane electrode assembly 10 through the cathode gas inflow hole P3 and the cathode exhaust gas outflow hole P4. A specific flow of the cathode gas will be described later.

図6は、セパレータSPを構成する中間プレートSPiの構成を示す概略図であり、カソードプレートSPc(図1(A))と接する側を示している。図6は、後述する各流体流路が設けられている点と、2つの貫通孔P3、P4と冷媒用マニホールド孔M5、M6とが設けられていない点以外は、ほぼ図5と同じである。なお、図6には、燃料電池100の積層方向に沿って見たときに、冷媒用マニホールド孔M5、M6と重なる領域を破線で示し、2つのプレートSPa、SPcに設けられた貫通孔P1、P2、P3、P4と重なる領域を二点鎖線で示してある。   FIG. 6 is a schematic view showing the configuration of the intermediate plate SPi that constitutes the separator SP, and shows the side in contact with the cathode plate SPc (FIG. 1A). FIG. 6 is substantially the same as FIG. 5 except that each fluid flow path to be described later is provided and two through holes P3 and P4 and refrigerant manifold holes M5 and M6 are not provided. . In FIG. 6, when viewed along the stacking direction of the fuel cell 100, a region overlapping the refrigerant manifold holes M <b> 5 and M <b> 6 is indicated by a broken line, and through holes P <b> 1 provided in the two plates SPa and SPc are shown. A region overlapping P2, P3, and P4 is indicated by a two-dot chain line.

中間プレートSPiには、発電部11の長辺方向に渡ってアノードガス及びアノード排ガスを誘導するための2つのアノード流路AP1、AP2が貫通して設けられている。第1のアノード流路AP1は、アノードガス供給用のマニホールド孔M1と連通しており、アノードプレートSPaのアノードガス流入孔P1とほぼ重なるように設けられている。第2のアノード流路AP2は、アノード排ガス用のマニホールド孔M2と連通しており、アノードプレートSPaのアノード排ガス流出孔P2とほぼ重なるように設けられている。   The intermediate plate SPi is provided with two anode flow paths AP1 and AP2 penetrating through the long side direction of the power generation unit 11 for inducing the anode gas and the anode exhaust gas. The first anode flow path AP1 communicates with the manifold hole M1 for supplying anode gas, and is provided so as to substantially overlap the anode gas inflow hole P1 of the anode plate SPa. The second anode flow path AP2 communicates with the manifold hole M2 for anode exhaust gas, and is provided so as to substantially overlap the anode exhaust gas outlet hole P2 of the anode plate SPa.

また、中間プレートSPiには、複数の供給用カソード流路CP1が、櫛歯状のスリットを形成するように貫通して設けられている。供給用カソード流路CP1は、一端がカソードガス供給用のマニホールド孔M3a〜M3dと連通しており、他端がカソードプレートSPcのカソードガス流入孔P3と連結するように設けられている。即ち、供給用カソード流路CP1は、供給用マニホールド孔M3a〜M3dと、膜電極接合体10の発電部11(図2)とを連通する流路である。中間プレートSPiには、排出用カソード流路CP2も同様に、マニホールド孔M4a〜M4dと発電部11とを連通するように設けられている。   The intermediate plate SPi is provided with a plurality of supply cathode channels CP1 penetrating so as to form comb-like slits. The supply cathode channel CP1 has one end communicating with the cathode gas supply manifold holes M3a to M3d and the other end connected to the cathode gas inflow hole P3 of the cathode plate SPc. That is, the supply cathode channel CP1 is a channel that communicates the supply manifold holes M3a to M3d with the power generation unit 11 (FIG. 2) of the membrane electrode assembly 10. Similarly, the discharge cathode channel CP2 is provided in the intermediate plate SPi so that the manifold holes M4a to M4d and the power generation unit 11 communicate with each other.

中間プレートSPiの中央部には、2つの冷媒用マニホールド孔M5、M6を互いに連結するように複数の冷媒流路WPが並列に設けられている。燃料電池100の外部から冷媒供給用マニホールド孔M5へと供給された冷媒の一部は、各セパレータSPの中間プレートSPiの冷媒流路WPに流入して、冷媒排出用マニホールド孔M6へと向かう(図6の矢印)。冷媒は、発電によって生じた熱を伴って冷媒排出用マニホールド孔M6から燃料電池100の外部へと排出される。なお、冷媒流路WPは、発電部11の全体を冷却できるように設けられていることが好ましい。   In the central portion of the intermediate plate SPi, a plurality of refrigerant flow paths WP are provided in parallel so as to connect the two refrigerant manifold holes M5 and M6 to each other. A part of the refrigerant supplied from the outside of the fuel cell 100 to the refrigerant supply manifold hole M5 flows into the refrigerant flow path WP of the intermediate plate SPi of each separator SP and moves toward the refrigerant discharge manifold hole M6 ( Arrow in FIG. 6). The refrigerant is discharged from the refrigerant discharge manifold hole M6 to the outside of the fuel cell 100 with heat generated by power generation. In addition, it is preferable that the refrigerant | coolant flow path WP is provided so that the whole electric power generation part 11 can be cooled.

図7(A)、(B)は、燃料電池100内におけるアノードガスの流れを説明するための模式図である。図7(A)、(B)は、図6に示した7A−7A切断及び7B−7B切断にあたる部位における燃料電池100の一部断面図である。なお、2つの電極層14a、14cのガス拡散層15及び触媒層16(図3)は、説明の便宜上、図示が省略してある。   7A and 7B are schematic diagrams for explaining the flow of the anode gas in the fuel cell 100. FIG. FIGS. 7A and 7B are partial cross-sectional views of the fuel cell 100 taken along the sections 7A-7A and 7B-7B shown in FIG. The gas diffusion layer 15 and the catalyst layer 16 (FIG. 3) of the two electrode layers 14a and 14c are not shown for convenience of explanation.

燃料電池100の外部からマニホールド孔M1へ供給されたアノードガスの一部は、図7(A)の矢印に示すように、中間プレートSPiの第1のアノード流路AP1へと流入し、アノードプレートSPaのアノードガス流入孔P1を経て、ガス流路部材18によってアノード電極層14a全体へと行き渡る。一方、アノード排ガスは、図7(B)の矢印に示すように、アノードプレートSPaのアノード排ガス流出孔P2から流出して、中間プレートSPiの第2のアノード流路AP2を経てマニホールド孔M2へと至り、燃料電池100の外部へ排出される。   A part of the anode gas supplied from the outside of the fuel cell 100 to the manifold hole M1 flows into the first anode channel AP1 of the intermediate plate SPi as shown by an arrow in FIG. It passes through the anode gas inflow hole P1 of SPa and reaches the entire anode electrode layer 14a by the gas flow path member 18. On the other hand, the anode exhaust gas flows out from the anode exhaust gas outflow hole P2 of the anode plate SPa and passes through the second anode flow path AP2 of the intermediate plate SPi to the manifold hole M2 as shown by an arrow in FIG. 7B. The fuel cell 100 is discharged to the outside.

図7(C)は、燃料電池100内におけるアノードガスの流れを説明するための模式図である。図7(C)は、図6に示した7C−7C切断にあたる部位における燃料電池100の一部断面図である。なお、2つの電極層14a、14cのガス拡散層15及び触媒層16は、説明の便宜上、図示が省略してある。   FIG. 7C is a schematic diagram for explaining the flow of the anode gas in the fuel cell 100. FIG. 7C is a partial cross-sectional view of the fuel cell 100 taken along the 7C-7C section shown in FIG. The gas diffusion layer 15 and the catalyst layer 16 of the two electrode layers 14a and 14c are not shown for convenience of explanation.

燃料電池100の外部からマニホールド孔M3a〜M3dへ供給されたカソードガスの一部は、図7(C)の矢印に示すように、中間プレートSPiの供給用カソード流路CP1へと流入し、カソードプレートSPcのカソードガス流入孔P3を経て、ガス流路部材18によってアノード電極層14a全体へと行き渡る。一方、カソード排ガスは、図7(B)の矢印に示すように、カソードプレートSPcのカソード排ガス流出孔P4から流出して、中間プレートSPiの排出用カソード流路CP2を経てマニホールド孔M4a〜M4dへと至り、燃料電池100の外部へ排出される。   A part of the cathode gas supplied from the outside of the fuel cell 100 to the manifold holes M3a to M3d flows into the supply cathode channel CP1 of the intermediate plate SPi as shown by an arrow in FIG. Through the cathode gas inflow hole P3 of the plate SPc, the gas channel member 18 reaches the entire anode electrode layer 14a. On the other hand, the cathode exhaust gas flows out from the cathode exhaust gas outflow hole P4 of the cathode plate SPc as shown by the arrow in FIG. 7B, and passes through the discharge cathode channel CP2 of the intermediate plate SPi to the manifold holes M4a to M4d. To the outside of the fuel cell 100.

図8は、カソード電極側のガスの流れを説明するための説明図である。図8は、発電中の燃料電池100における膜電極接合体10のカソード電極側を、セパレータの図示を省略して示している。図8は、発電部11にガス流路部材18が配置されている点以外は、図2とほぼ同様である。なお、図8には、セパレータSPに設けられたカソード流路CP1、CP2と、カソードガス流入孔P3と、カソード排ガス流出孔P4とを破線で示してある。   FIG. 8 is an explanatory diagram for explaining the gas flow on the cathode electrode side. FIG. 8 shows the cathode electrode side of the membrane electrode assembly 10 in the fuel cell 100 during power generation with the separator not shown. FIG. 8 is substantially the same as FIG. 2 except that the gas flow path member 18 is disposed in the power generation unit 11. In FIG. 8, the cathode channels CP1 and CP2, the cathode gas inflow hole P3, and the cathode exhaust gas outflow hole P4 provided in the separator SP are indicated by broken lines.

発電部11には、図中の矢印Y方向に向かって燃料電池100を見たときに、マニホールド孔M3a〜M3d、M4a〜M4dと重なる領域(「マニホールド孔領域11m」と呼ぶ)と重ならない領域(「非マニホールド孔領域11n」と呼ぶ)とが存在する。図からも理解できるように、マニホールド孔領域11mと非マニホールド孔領域11nとを比較すると、それぞれに連結するカソード流路CP1、CP2の単位面積あたりの数は、非マニホールド孔領域11nの方が少ない。ガス流路部材18においては、通常、図中の矢印で示すように供給用カソード流路CP1から流入したカソードガスの多くは、発電部11を挟んで対向する排出用カソード流路CP2へと流れる。従って、非マニホールド孔領域11nにおけるカソードガスの流量は、マニホールド孔領域11mのカソードガスの流量より少なくなる傾向にある。2つの中央凹部CV2に挟まれた中央非マニホールド孔領域11ncは、特にガスの配流性が低い領域となる。   In the power generation unit 11, when the fuel cell 100 is viewed in the direction of arrow Y in the figure, a region that does not overlap with a region that overlaps the manifold holes M3a to M3d and M4a to M4d (referred to as “manifold hole region 11m”) (Referred to as “non-manifold hole region 11n”). As can be understood from the figure, when the manifold hole region 11m and the non-manifold hole region 11n are compared, the number of the cathode channels CP1 and CP2 connected to each of them is smaller in the non-manifold hole region 11n. . In the gas flow path member 18, most of the cathode gas flowing in from the supply cathode flow path CP <b> 1 normally flows to the discharge cathode flow path CP <b> 2 facing the power generation unit 11 as indicated by the arrows in the drawing. . Therefore, the flow rate of the cathode gas in the non-manifold hole region 11n tends to be smaller than the flow rate of the cathode gas in the manifold hole region 11m. The central non-manifold hole region 11nc sandwiched between the two central recesses CV2 is a region having a particularly low gas distribution property.

一般的に、燃料電池の発電効率を向上させるためには、発電部11における反応ガスの流量分布がほぼ均一であることが好ましい。しかし、この燃料電池100に限らず、発電部11の外周に複数のマニホールド孔が形成されている場合、本実施例のように多孔質の流路部材を備えていても、上述のように発電部11における反応ガスの流量分布は不均一となる傾向にある。そこで、本実施例では、以下に説明するように、発電部11におけるガスの配流性を向上させる。   Generally, in order to improve the power generation efficiency of the fuel cell, it is preferable that the flow rate distribution of the reaction gas in the power generation unit 11 is substantially uniform. However, not only in the fuel cell 100 but in the case where a plurality of manifold holes are formed on the outer periphery of the power generation unit 11, even if the porous flow path member is provided as in this embodiment, the power generation is performed as described above. The reaction gas flow rate distribution in the section 11 tends to be non-uniform. Therefore, in the present embodiment, the gas distribution property in the power generation unit 11 is improved as described below.

図9は、セパレータSPとして組み付けられた後のカソードプレートSPcを示している。図9は、ガス流路部材18が発電部11の領域内に配置されている点以外は図5とほぼ同じである。また、図9には、図8で説明した中央非マニホールド孔領域11ncを図8と同様に示してある。なお、アノードプレートSPa側にも同様にガス流路部材18が配置されるが、図示は省略する。   FIG. 9 shows the cathode plate SPc after being assembled as the separator SP. FIG. 9 is substantially the same as FIG. 5 except that the gas flow path member 18 is disposed in the region of the power generation unit 11. 9 shows the central non-manifold hole region 11nc described in FIG. 8 in the same manner as in FIG. The gas flow path member 18 is similarly arranged on the anode plate SPa side, but the illustration is omitted.

本実施例の燃料電池100では、燃料電池として組み付ける際に、セパレータSPに対してガス流路部材18をスポット溶接によって固定する。なお、このようにセパレータSPにガス流路部材18を固定しておくことによって、燃料電池100として組み付ける際に、ガス流路部材18がセパレータSPと膜電極接合体10との位置合わせのための指標として機能させることができる。ただし、ガス流路部材18は、位置合わせのための指標としての機能を有していなくとも良い。   In the fuel cell 100 of the present embodiment, when assembled as a fuel cell, the gas flow path member 18 is fixed to the separator SP by spot welding. In addition, by fixing the gas flow path member 18 to the separator SP in this way, the gas flow path member 18 is used for positioning the separator SP and the membrane electrode assembly 10 when the fuel cell 100 is assembled. It can function as an indicator. However, the gas flow path member 18 may not have a function as an index for alignment.

図9には、スポット溶接を行う接合部位CSが黒円で示してある。カソードガス供給側の接合部位CSは、主発電部11cとカソードガス流入孔P3との間であって、アノードガス流入孔P1とは重ならない領域に設けられていることが好ましい。なお、2つの貫通孔P1、P3と重ならない領域に接合部位CSを設けるのは、スポット溶接の際の通電を良好に行うためためである。また、主発電部11cに接合部位CSを設けていないのは、接合部位CSによって主発電部11cの発電面積が減少することを防止するためである。   In FIG. 9, the joint part CS for spot welding is indicated by a black circle. The cathode gas supply side joining portion CS is preferably provided in a region between the main power generation unit 11c and the cathode gas inflow hole P3 and not overlapping the anode gas inflow hole P1. The reason why the joint portion CS is provided in a region that does not overlap with the two through holes P1 and P3 is to allow good energization during spot welding. Further, the reason why the joining site CS is not provided in the main power generation unit 11c is to prevent the power generation area of the main power generation unit 11c from being reduced by the joining site CS.

接合部位CSは、中央非マニホールド孔領域11ncの境界線の近傍に密集して設けられている。ここで、「中央非マニホールド孔領域11ncの境界線の近傍」とは、中央非マニホールド孔領域11ncの短辺方向の中心nccから、隣り合うマニホールド孔M3bの長辺方向の中心mcまでの間の領域を言う。また、「密集」とは、複数の接合部位CSが存在する領域と接合部位CSが存在しない領域とが一見して区別できる程度に複数の接合部位CSが集合している状態を言う。なお、カソードガス排出側にも同様に接合部位CSが設けられている。   The joint portions CS are densely provided in the vicinity of the boundary line of the central non-manifold hole region 11nc. Here, “near the boundary line of the central non-manifold hole region 11nc” means between the center ncc in the short side direction of the central non-manifold hole region 11nc and the center mc in the long side direction of the adjacent manifold hole M3b. Say the area. “Dense” refers to a state in which a plurality of joining sites CS are gathered to such an extent that a region where the plurality of joining sites CS exist and a region where the joining site CS does not exist can be distinguished at a glance. Similarly, a joint part CS is also provided on the cathode gas discharge side.

図10は、図9に示す10−10切断におけるセパレータSPを構成する3枚のプレートSPc、SPi、SPa及びカソード電極側のガス流路部材18の断面を示す断面図であり、接合部位CSの断面を模式的に示している。なお、アノード電極側のガス流路部材18は図示が省略されている。図に示すように、ガス流路部材18の接合部位CSが設けられた部位は、ガス流路部材の厚み方向に渡ってガス流路部材18の気孔率が減少する。従って、接合部位CSの設けられた部位はガスが流れにくくなる。   FIG. 10 is a cross-sectional view showing a cross section of the three plates SPc, SPi, SPa and the gas passage member 18 on the cathode electrode side constituting the separator SP in the 10-10 cutting shown in FIG. The cross section is shown schematically. The gas flow path member 18 on the anode electrode side is not shown. As shown in the drawing, the porosity of the gas flow path member 18 decreases in the portion where the joint part CS of the gas flow path member 18 is provided in the thickness direction of the gas flow path member. Therefore, it is difficult for the gas to flow through the part where the joint part CS is provided.

図11(A)、(B)は、接合部位CSによるカソードガスの流れの変化を示す模式図である。図11(A)、(B)はそれぞれ、図8における供給用マニホールド孔M3b、M3c及び排出用マニホールド孔M4b、M4cの周辺を拡大して示しており、接合部位CSが追加されている。図11(A)、(B)の矢印に示すように、接合部位CSを設けることによって、カソードガスの流れは変化する。具体的には、図中の矢印の方向へと流れるガスの量が増加するため、非マニホールド孔領域11nへと流入するガスの量が増加して、発電部11における配流性が向上する。   FIGS. 11A and 11B are schematic diagrams illustrating changes in the flow of the cathode gas due to the joining portion CS. 11A and 11B are enlarged views of the periphery of the supply manifold holes M3b and M3c and the discharge manifold holes M4b and M4c in FIG. 8, respectively, and a joining portion CS is added. As shown by the arrows in FIGS. 11A and 11B, the flow of the cathode gas changes by providing the joining portion CS. Specifically, since the amount of gas flowing in the direction of the arrow in the figure increases, the amount of gas flowing into the non-manifold hole region 11n increases and the flow distribution in the power generation unit 11 is improved.

なお、接合部位CSは、燃料電池の設計段階において発電部11におけるガスの流れを予め解析して、ガスの流れが均一となるように決定することが好ましい。あるいは、発電部11の発電分布を解析することによって発電分布が一定となるように決定するものとしても良い。より具体的には、接合部位CSは、次のような部位に設けることができる。   In addition, it is preferable to determine the joining part CS so that the gas flow is uniform by analyzing the gas flow in the power generation unit 11 in advance in the design stage of the fuel cell. Alternatively, the power generation distribution may be determined to be constant by analyzing the power generation distribution of the power generation unit 11. More specifically, the joining site CS can be provided at the following site.

図12は、接合部位CSの設置部位を説明するための説明図であり、中央非マニホールド孔領域11ncに替えて、後述する2つの領域CSa、CSnが示してある点以外は、図11(a)とほぼ同じである。   FIG. 12 is an explanatory diagram for explaining an installation site of the joint site CS, except that two regions CSa and CSn described later are shown instead of the central non-manifold hole region 11nc. ).

図に示すように、発電部11は、接合部位CSが密集する領域である接合領域CSaと、接合部位CSが存在しない領域であって2つの接合領域CSaに挟持された領域である非接合領域CSnとを有している。このとき、発電部11の長辺方向に渡る非接合領域CSnの有する幅の中心線CSncが、2つのマニホールド孔M3b、M3cの間の中心線Cbcとほぼ一致するように、接合領域CSaが設けられるものとしても良い。   As shown in the figure, the power generation unit 11 includes a joining region CSa that is a region where the joining parts CS are dense and a non-joining region that is a region where the joining part CS does not exist and is sandwiched between two joining regions CSa. CSn. At this time, the junction region CSa is provided so that the center line CSnc of the width of the non-joint region CSn extending in the long side direction of the power generation unit 11 substantially coincides with the center line Cbc between the two manifold holes M3b and M3c. It is good as what is done.

なお、接合領域CSaは、発電部11において接合部位CSの分布密度が、他の発電領域よりも大きい領域であるものとしても良い。ここで、「接合部位CSの分布密度」とは、単位面積あたりに存在する接合部位CSの個数、又は、単位面積あたりに接合部位CSが占める面積の割合を言う。   In addition, the junction area | region CSa is good also as a area | region where the distribution density of junction site | part CS in the electric power generation part 11 is larger than another electric power generation area | region. Here, the “distribution density of the bonding sites CS” refers to the number of bonding sites CS present per unit area or the ratio of the area occupied by the bonding sites CS per unit area.

このように、本実施例の構成によれば、接合部位CSの配置によって反応ガスを発電部11のうち配流性の悪い領域へと誘導することができ、燃料電池の反応ガスの配流性を向上させることができる。   As described above, according to the configuration of the present embodiment, the reaction gas can be guided to the region with poor flow distribution in the power generation unit 11 by the arrangement of the joint portion CS, and the flow of the reaction gas in the fuel cell is improved. Can be made.

B.第2実施例:
図13は、本発明の第2実施例としての燃料電池に用いられる膜電極接合体10Aの構成を示す概略図である。図13は、カソードガス用のマニホールド孔M3a〜M3d、M4a〜M4dの形状が異なる点と、接合部位CSが設けられてガスの流れが変化している点以外は、図8とほぼ同じである。なお、接合部位CSは第1実施例と同様に設けられている。また、第2実施例の燃料電池の他の構成は、第1実施例で説明したものと同様である。
B. Second embodiment:
FIG. 13 is a schematic view showing a configuration of a membrane electrode assembly 10A used in a fuel cell as a second embodiment of the present invention. FIG. 13 is substantially the same as FIG. 8 except that the shapes of the manifold holes M3a to M3d and M4a to M4d for the cathode gas are different from each other, and the flow of the gas is changed by providing the joint portion CS. . The joining part CS is provided in the same manner as in the first embodiment. The other configuration of the fuel cell of the second embodiment is the same as that described in the first embodiment.

この膜電極接合体10Aのカソードガス用のマニホールド孔M3a〜M3d、M4a〜M4dは、中央凹部CV2と隣り合うマニホールド孔M3b、M3c、M4b、M4cが、他のマニホールド孔M3a、M3d、M4a、M4dより大きく設けられている。このような構成とすることによって、マニホールド孔M3b、M3cから供給されるガス量自体を増加させることができる。そのため、接合部位CSによって2つの中央凹部CV2に挟まれた非マニホールド孔領域11nに流入するカソードガスの流量を増加させることができる。   The manifold holes M3a to M3d and M4a to M4d for the cathode gas of the membrane electrode assembly 10A are connected to the manifold holes M3b, M3c, M4b and M4c adjacent to the central recess CV2, and the other manifold holes M3a, M3d, M4a and M4d. It is larger. By setting it as such a structure, the gas quantity itself supplied from the manifold holes M3b and M3c can be increased. Therefore, it is possible to increase the flow rate of the cathode gas flowing into the non-manifold hole region 11n sandwiched between the two central recesses CV2 by the joint portion CS.

このように、マニホールド孔の形状や配置を変更した場合であっても、接合部位CSによってガスの配流性を向上させることが可能である。   Thus, even when the shape and arrangement of the manifold holes are changed, the gas distribution property can be improved by the joint portion CS.

C.第3実施例:
図14は、本発明の第3実施例としての燃料電池に用いられる膜電極接合体10Bの構成を示す概略図である。図14は、中央凹部CV2が設けられている部位が異なる点と、カソードガス用のマニホールド孔M3a〜M3d、M4a〜M4dの形状が異なる点と、非マニホールド孔領域の表示が異なる点以外は、図13とほぼ同じである。なお、第3実施例の燃料電池の他の構成は、第1実施例で説明したものと同様である。
C. Third embodiment:
FIG. 14 is a schematic view showing a configuration of a membrane electrode assembly 10B used in a fuel cell as a third embodiment of the present invention. FIG. 14 is different from FIG. 14 in that the portion where the central recess CV2 is provided is different, the shape of the manifold holes M3a to M3d and M4a to M4d for cathode gas is different, and the display of the non-manifold hole region is different. It is almost the same as FIG. The other structure of the fuel cell of the third embodiment is the same as that described in the first embodiment.

この膜電極接合体10Bでは、中央凹部CV2が、発電部11の長辺方向の中心から互いに逆方向にオフセットされて設けられている。これに応じて、マニホールド孔の配置も次のように構成されている。中央凹部CV2に隣り合うマニホールド孔M3b、M3c、M4b、M4cは、対角する2つのマニホールド孔M3c、M4bと、対角する2つのマニホールド孔M3b、M4cとが、それぞれ同じ大きさで設けられている。また、2つのマニホールド孔M3b、M4cは、2つのマニホールド孔M3c、M4bより小さく設けられている。残りのマニホールド孔M3a、M3d、M4a、M4dは、それぞれ同じ大きさとなるように設けられている。このようなマニホールド孔の配置とすると、発電部11の対角方向(図中矢印D)に流れるガスの流量が増加して発電部11の中央部におけるガスの配流性は改善される。しかし、図に示すカソードガス供給側の非マニホールド孔領域11ns及び排出側の非マニホールド孔領域11neにおけるガスの流量は他の領域に比較して低くなる。   In this membrane electrode assembly 10B, the central concave portion CV2 is provided offset from the center of the long side direction of the power generation unit 11 in the opposite directions. Accordingly, the arrangement of the manifold holes is also configured as follows. The manifold holes M3b, M3c, M4b, and M4c adjacent to the central recess CV2 have two opposite manifold holes M3c and M4b and two opposite manifold holes M3b and M4c having the same size. Yes. Further, the two manifold holes M3b and M4c are provided smaller than the two manifold holes M3c and M4b. The remaining manifold holes M3a, M3d, M4a, and M4d are provided to have the same size. With such an arrangement of manifold holes, the flow rate of the gas flowing in the diagonal direction (arrow D in the figure) of the power generation unit 11 is increased, and the gas distribution in the central portion of the power generation unit 11 is improved. However, the gas flow rates in the non-manifold hole region 11ns on the cathode gas supply side and the non-manifold hole region 11ne on the discharge side shown in the figure are lower than in other regions.

そこで、第3実施例では、接合部位CSを2つの非マニホールド孔領域11ns、11neの近傍にそれぞれ密集して設ける。この接合部位CSによって、図中の矢印の方向に流れるガスの流量を増すことができるため、ガスの配流性を改善することができる。このように、マニホールド孔の構成の変更によってガスの配流性を向上させるとともに、さらに、接合部位CSによってガスの配流性を向上させることもできる。   Therefore, in the third embodiment, the joint portions CS are provided close to each other in the vicinity of the two non-manifold hole regions 11ns and 11ne. Since the flow rate of the gas flowing in the direction of the arrow in the figure can be increased by the joint portion CS, the gas distribution property can be improved. As described above, the gas distribution property can be improved by changing the configuration of the manifold hole, and the gas distribution property can also be improved by the joint portion CS.

D.第4実施例:
図15は、本発明の第4実施例としての燃料電池における接合部位CSを説明するための説明図である。図15は、接合部位CSが設けられている位置が異なる点以外は、ほぼ図11(A)と同じである。なお、発電部11の排出用マニホールド孔側も同様であるため、図示は省略する。また、第4実施例の燃料電池の構成は、以下に説明する点以外は、第1実施例の燃料電池100と同じである。
D. Fourth embodiment:
FIG. 15 is an explanatory diagram for explaining a joint portion CS in a fuel cell as a fourth embodiment of the present invention. FIG. 15 is substantially the same as FIG. 11A except that the position where the bonding site CS is provided is different. Since the discharge manifold hole side of the power generation unit 11 is the same, the illustration is omitted. The configuration of the fuel cell of the fourth embodiment is the same as that of the fuel cell 100 of the first embodiment except for the points described below.

第4実施例では、接合部位CSは、中央非マニホールド孔領域11ncの短辺方向の中心に近づくほど隣り合う接合部位CS同士の距離が離れるように一列に設けられている。このような構成とすることによって、中央非マニホールド孔領域11ncの短辺方向の中心に近づくほどガスが流れやすくなるため、図中の矢印の方向へと流れるガスの流量を増加させることができる。従って、発電部11の反応ガスの配流性を向上させることができる。   In the fourth embodiment, the joint parts CS are provided in a line so that the distance between the joint parts CS adjacent to each other increases as they approach the center in the short side direction of the central non-manifold hole region 11nc. By setting it as such a structure, since it becomes easy to flow gas, so that the center of the short side direction of the center non-manifold hole area | region 11nc is approached, the flow volume of the gas which flows into the direction of the arrow in a figure can be increased. Therefore, the flowability of the reaction gas in the power generation unit 11 can be improved.

E.変形例:
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
E. Variation:
The present invention is not limited to the above-described examples and embodiments, and can be implemented in various modes without departing from the gist thereof. For example, the following modifications are possible.

E1.変形例1:
上記実施例において説明した接合部位CSの配置構成は、上記実施例の構成に限定されるものではなく、他の種々の構成を採用することも可能である。例えば、接合部位CSは、非マニホールド孔領域11nより、マニホールド孔領域11mの方に多く設けられているものとしても良い。このような構成とすれば、接合部位CSによって、マニホールド孔領域11mの面積あたりの圧力損失が非マニホールド孔領域11nよりも増加するため、マニホールド孔領域11mから非マニホールド孔領域11nへと流入するガス量を増加させることができる。即ち、接合部位CSは、発電部11を複数のマニホールド孔の配列方向に渡って不均一な分布となるように配置されていれば良い。
E1. Modification 1:
The arrangement configuration of the joint portion CS described in the above embodiment is not limited to the configuration of the above embodiment, and various other configurations can be adopted. For example, the joint part CS may be provided more in the manifold hole region 11m than in the non-manifold hole region 11n. With such a configuration, the pressure loss per area of the manifold hole region 11m is increased more than that of the non-manifold hole region 11n due to the joining portion CS, and therefore gas flowing from the manifold hole region 11m to the non-manifold hole region 11n. The amount can be increased. That is, the joining part CS should just be arrange | positioned so that the electric power generation part 11 may become non-uniform distribution over the sequence direction of a some manifold hole.

E2.変形例2:
上記実施例において、ガス流路部材18とセパレータSPとをスポット溶接によって接合していたが、他の方法によって接合するものとしても良い。例えば、接合部位CSにおいてロウ付け接合を行うものとしても良い。また、接合部位CSは、略円形の形状を有していなくとも良く、例えば略長辺形の形状を有しているものとしても良い。
E2. Modification 2:
In the above embodiment, the gas flow path member 18 and the separator SP are joined by spot welding, but may be joined by other methods. For example, brazing joining may be performed at the joining part CS. Moreover, the joining part CS does not need to have a substantially circular shape, and may have, for example, a substantially long side shape.

E3.変形例3:
上記実施例において、カソード電極側に設けた接合部位CSによってカソードガスの配流性を向上させていたが、アノード電極側も同様に接合部位CSによってアノードガスの配流性を向上させるものとしても良い。
E3. Modification 3:
In the above embodiment, the cathode gas flow distribution is improved by the joint portion CS provided on the cathode electrode side. However, the anode gas flow may be improved by the joint portion CS on the anode electrode side as well.

E4.変形例4:
上記実施例において、反応ガスの供給側と排出側の両方に接合部位CSを設けていたが、いずれか一方のみに設けるものとしても良い。この場合には、排出側に設けることがより好ましい。この理由は、排出側のガス流路部材18の気孔率の減少によってガスの排出性が低下し、主発電部11cにおけるガス圧が増大して発電効率を向上させることができるためである。なお、接合部位CSによってガス排出性が低下した場合であっても、排出側のカソード流路CP2の流路断面積を確保することによって排水性の低下を抑制することができる。
E4. Modification 4:
In the above-described embodiment, the joint portions CS are provided on both the supply side and the discharge side of the reaction gas, but may be provided on only one of them. In this case, it is more preferable to provide on the discharge side. This is because the gas discharge performance is lowered due to the decrease in the porosity of the gas flow path member 18 on the discharge side, and the gas pressure in the main power generation unit 11c is increased, so that the power generation efficiency can be improved. Even when the gas discharge performance is lowered due to the joint portion CS, it is possible to suppress the drainage deterioration by securing the flow path cross-sectional area of the discharge-side cathode flow path CP2.

燃料電池の構成を示す概略図。Schematic which shows the structure of a fuel cell. 膜電極接合体の構成を示す概略図。Schematic which shows the structure of a membrane electrode assembly. 膜電極接合体の一部断面を示す断面図。Sectional drawing which shows the partial cross section of a membrane electrode assembly. セパレータを構成するアノードプレートの構成を示す概略図。Schematic which shows the structure of the anode plate which comprises a separator. セパレータを構成するカソードプレートの構成を示す概略図。Schematic which shows the structure of the cathode plate which comprises a separator. セパレータを構成する中間プレートの構成を示す概略図。Schematic which shows the structure of the intermediate | middle plate which comprises a separator. 燃料電池における反応ガスの流れを説明するための模式図。The schematic diagram for demonstrating the flow of the reactive gas in a fuel cell. カソード電極側における反応ガスの流れを説明するための模式図。The schematic diagram for demonstrating the flow of the reactive gas in the cathode electrode side. 第1実施例におけるセパレータの構成を示す概略図。Schematic which shows the structure of the separator in 1st Example. 第1実施例におけるセパレータの接合部位を説明するための一部断面図。The partial cross section figure for demonstrating the junction part of the separator in 1st Example. 第1実施例におけるガスの流れを説明するための模式図。The schematic diagram for demonstrating the flow of the gas in 1st Example. 第1実施例における接合部位の配置位置を説明するための説明図。Explanatory drawing for demonstrating the arrangement position of the joining site | part in 1st Example. 第2実施例における膜電極接合体の構成及びガスの流れを説明するための模式図。The schematic diagram for demonstrating the structure of the membrane electrode assembly in 2nd Example, and the flow of gas. 第3実施例における膜電極接合体の構成及びガスの流れを説明するための模式図。The schematic diagram for demonstrating the structure of the membrane electrode assembly in 3rd Example, and the flow of gas. 第4実施例における接合部位の配置位置及びガスの流れを説明するための模式図。The schematic diagram for demonstrating the arrangement position of the junction part in 4th Example, and the flow of gas.

符号の説明Explanation of symbols

10、10A、10B…膜電極接合体
11…発電部
11c…主発電部
11m…マニホールド孔領域
11n…非マニホールド孔領域
11nc…中央非マニホールド孔領域
11ne…排出側の非マニホールド孔領域
11ns…供給側の非マニホールド孔領域
12…外周シール枠部
13…電解質膜
13e…膜端部
14a…アノード電極層
14c…カソード電極層
15…ガス拡散層
16…触媒層
17…突起部
18…ガス流路部材
20…締結部材
20n…ナット部
20s…シャフト部
21、22…エンドプレート
100…燃料電池
AP1…第1のアノード流路
AP2…第2のアノード流路
CN…四隅
CP1、CP2…カソード流路
CS…接合部位
CSa…接合領域
CSn…非接合領域
CSnc…非接合領域の中心線
CV1…角凹部
CV2…中央凹部
Cbc…マニホールド孔の間の中心線
M1〜M6…マニホールド孔
P1…アノードガス流入孔
P2…アノード排ガス流出孔
P3…カソードガス流入孔
P4…カソード排ガス流出孔
SC…長辺中央部
SL…シールライン
SP…セパレータ
SPa…アノードプレート
SPc…カソードプレート
SPi…中間プレート
WP…冷媒流路
mc…マニホールド孔の中心
ncc…非マニホールド孔領域の中心
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10, 10A, 10B ... Membrane electrode assembly 11 ... Power generation part 11c ... Main power generation part 11m ... Manifold hole area 11n ... Non-manifold hole area 11nc ... Central non-manifold hole area 11ne ... Non-manifold hole area on discharge side 11ns ... Supply side Non-manifold hole region 12 ... outer peripheral seal frame 13 ... electrolyte membrane 13e ... membrane end 14a ... anode electrode layer 14c ... cathode electrode layer 15 ... gas diffusion layer 16 ... catalyst layer 17 ... projection 18 ... gas flow path member 20 ... Fastening member 20n ... Nut part 20s ... Shaft part 21, 22 ... End plate 100 ... Fuel cell AP1 ... First anode flow path AP2 ... Second anode flow path CN ... Four corners CP1, CP2 ... Cathode flow path CS ... Joining Part CSa ... Junction region CSn ... Non-joint region CSnc ... Center line of non-joint region CV1 ... Corner recess CV2 ... Central recess Cbc ... Center line between manifold holes M1 to M6 ... Manifold hole P1 ... Anode gas inflow hole P2 ... Anode exhaust gas outflow hole P3 ... Cathode gas inflow hole P4 ... Cathode exhaust gas outflow hole SC ... Long side center part SL ... Seal line SP ... Separator SPa ... Anode plate SPc ... Cathode plate SPi ... Intermediate plate WP ... Refrigerant flow path mc ... Center of manifold hole ncc ... Center of non-manifold hole region

Claims (5)

2枚のセパレータに挟持された膜電極接合体を備える燃料電池であって、
前記膜電極接合体は、
電解質膜を含む発電部と、
前記発電部の一辺に沿って配列して設けられた反応ガスのための同一種類の複数のマニホールド孔と、
を備え、
前記膜電極接合体の前記発電部と前記セパレータとの間には、反応ガスの流路を形成するガス流路部材が配置され、
前記ガス流路部材は、複数の接合部位によって前記セパレータに固定されており、
前記接合部位は、前記複数のマニホールド孔の配列方向に渡って不均一に配置されている、燃料電池。
A fuel cell comprising a membrane electrode assembly sandwiched between two separators,
The membrane electrode assembly is
A power generation unit including an electrolyte membrane;
A plurality of manifold holes of the same type for reaction gas provided arranged along one side of the power generation unit;
With
Between the power generation part of the membrane electrode assembly and the separator, a gas flow path member that forms a flow path of a reaction gas is disposed,
The gas flow path member is fixed to the separator by a plurality of joint portions,
The fuel cell according to claim 1, wherein the joining portions are non-uniformly arranged in an arrangement direction of the plurality of manifold holes.
請求項1に記載の燃料電池であって、
前記発電部は、前記複数のマニホールド孔を前記発電部の一辺に向かう方向に沿って投影したときに、前記複数のマニホールド孔が投影される領域であるマニホールド孔領域と、前記複数のマニホールド孔が投影されない領域である非マニホールド孔領域とを有し、
前記接合部位は、前記非マニホールド孔領域よりも、前記マニホールド孔領域の方に多く設けられている、燃料電池。
The fuel cell according to claim 1,
The power generation unit includes a manifold hole region, which is a region where the plurality of manifold holes are projected when the plurality of manifold holes are projected along a direction toward one side of the power generation unit, and the plurality of manifold holes. A non-manifold hole region that is a non-projected region,
The fuel cell is provided with a larger number of joint portions in the manifold hole region than in the non-manifold hole region.
請求項1または請求項2に記載の燃料電池であって、
前記発電部は、前記接合部位が密集した接合部位密集領域と、前記接合部位が存在しない非接合領域とを有しており、
前記接合部位密集領域は、前記複数のマニホールド孔から前記発電部の一辺に向う方向に沿って見たときに前記マニホールド孔の端部を通る直線の近傍に設けられている、燃料電池。
The fuel cell according to claim 1 or 2, wherein
The power generation unit has a junction site dense region where the junction sites are dense, and a non-joint region where the junction site does not exist,
The junction site dense region is provided in the vicinity of a straight line passing through an end of the manifold hole when viewed along a direction from the plurality of manifold holes toward one side of the power generation unit.
請求項3に記載の燃料電池であって、
前記複数のマニホールド孔は、互いに隣り合う第1と第2のマニホールド孔とを含み、
前記接合部位密集領域は、第1と第2の接合部位密集領域を含み、
前記第1と第2の接合部位密集領域に挟まれた前記非接合領域の中心を通り、前記複数のマニホールド孔の配列方向に垂直な第1の中心線は、前記第1と第2のマニホールド孔のそれぞれから等距離にある第2の中心線とほぼ重なる、燃料電池。
The fuel cell according to claim 3, wherein
The plurality of manifold holes include first and second manifold holes adjacent to each other;
The junction site dense region includes first and second junction site dense regions,
A first center line that passes through the center of the non-joining region sandwiched between the first and second joining site dense regions and is perpendicular to the arrangement direction of the plurality of manifold holes is the first and second manifolds. A fuel cell that substantially overlaps a second centerline that is equidistant from each of the holes.
請求項1ないし請求項4のいずれかに記載の燃料電池であって、
前記接合部位は、前記発電部のうち触媒が担持された触媒層を含む領域には設けられていない、燃料電池。
The fuel cell according to any one of claims 1 to 4, wherein
The joining portion is not provided in a region including a catalyst layer on which a catalyst is supported in the power generation unit.
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