JP2011034868A - Fuel cell - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To readily and surely discharge standing water from within a separator plane, using a simple and compact structure. <P>SOLUTION: The fuel cell 10 is constituted by horizontally laminating a plurality of power generation units 12. An outlet buffer unit communicating with an oxidizer gas outlet communicating hole 30b is disposed downstream of an oxidizer gas flow passage 50 and a drainage communication hole 68, communicating with the outlet buffer unit, to discharge the water generated is formed. In an oxidizer gas outlet manifold 80b, communicating with the oxidizer gas outlet communicating hole 30b, a suction port 98 of a venturi tube 88 communicates with a manifold outlet 86a of a drainage manifold 86, that communicates with the drainage communication hole 68. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、電解質の両側に一対の電極が設けられる電解質・電極構造体とセパレータとが積層される複数の発電ユニットを備え、前記セパレータの電極対向面には、前記電極に沿って燃料ガス又は酸化剤ガスである反応ガスを供給する反応ガス流路が設けられるとともに、積層方向に貫通して前記反応ガスを流通させる反応ガス供給連通孔及び反応ガス排出連通孔が設けられる燃料電池に関する。   The present invention includes a plurality of power generation units in which an electrolyte / electrode structure in which a pair of electrodes are provided on both sides of an electrolyte and a separator are stacked, and a fuel gas or The present invention relates to a fuel cell in which a reaction gas flow path for supplying a reaction gas that is an oxidant gas is provided, and a reaction gas supply communication hole and a reaction gas discharge communication hole through which the reaction gas flows are provided.

例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜の両側に、それぞれアノード側電極及びカソード側電極を配設した電解質膜・電極構造体(MEA)を、一対のセパレータによって挟持した発電ユニットを備えている。この種の燃料電池は、通常、所定の数の発電ユニットを積層することにより、燃料電池スタックとして使用されている。   For example, in a polymer electrolyte fuel cell, an electrolyte membrane / electrode structure (MEA) in which an anode side electrode and a cathode side electrode are disposed on both sides of an electrolyte membrane made of a polymer ion exchange membrane is provided by a pair of separators. It has a power generation unit that is sandwiched. This type of fuel cell is normally used as a fuel cell stack by stacking a predetermined number of power generation units.

上記の燃料電池では、一方のセパレータの面内に、アノード側電極に対向して燃料ガスを流すための燃料ガス流路が設けられるとともに、他方のセパレータの面内に、カソード側電極に対向して酸化剤ガスを流すための酸化剤ガス流路が設けられている。また、互いに隣接するセパレータ間には、冷却媒体を流すための冷却媒体流路が、前記セパレータの面方向に沿って設けられている。   In the above fuel cell, a fuel gas flow channel for flowing fuel gas is provided in the plane of one separator so as to face the anode side electrode, and the cathode side electrode is opposed in the plane of the other separator. An oxidant gas flow path for flowing an oxidant gas is provided. Further, between the separators adjacent to each other, a cooling medium flow path for flowing the cooling medium is provided along the surface direction of the separator.

さらに、この種の燃料電池では、発電ユニットの積層方向に貫通して燃料ガスを流すための燃料ガス入口連通孔及び燃料ガス出口連通孔と、酸化剤ガスを流すための酸化剤ガス入口連通孔及び酸化剤ガス出口連通孔と、冷却媒体を流すための冷却媒体入口連通孔及び冷却媒体出口連通孔とを内部に備える、所謂、内部マニホールド型燃料電池を構成する場合が多い。   Further, in this type of fuel cell, a fuel gas inlet communication hole and a fuel gas outlet communication hole for flowing fuel gas through the power generation unit in the stacking direction, and an oxidant gas inlet communication hole for flowing oxidant gas In many cases, a so-called internal manifold type fuel cell is provided which includes an oxidant gas outlet communication hole, a cooling medium inlet communication hole for flowing a cooling medium, and a cooling medium outlet communication hole.

内部マニホールド型燃料電池として、例えば、特許文献1に開示されている固体高分子型燃料電池が知られている。この燃料電池では、図7に示すように、上下方向に沿って複数のアノード側流路1が形成されており、前記アノード側流路1の上流側には、水分配基板2及びガス分配基板3が配設されている。水分配基板2及びガス分配基板3には、それぞれ複数の細孔2a、3aが形成され、前記細孔2a、3aは、アノード側流路1に連通している。   As an internal manifold type fuel cell, for example, a polymer electrolyte fuel cell disclosed in Patent Document 1 is known. In this fuel cell, as shown in FIG. 7, a plurality of anode side channels 1 are formed along the vertical direction, and a water distribution substrate 2 and a gas distribution substrate are disposed upstream of the anode side channel 1. 3 is disposed. The water distribution substrate 2 and the gas distribution substrate 3 are each formed with a plurality of pores 2 a and 3 a, and the pores 2 a and 3 a communicate with the anode side flow path 1.

燃料電池の上部側両側部には、それぞれ一対の水導入用のマニホールド孔4a、4aと、燃料ガス導入用のマニホールド孔5a、5aとが形成されている。燃料電池の下部側両側部には、それぞれ一対の燃料ガス導出用のマニホールド孔5b、5bと、水導出用のマニホールド孔4b、4bとが形成されている。   A pair of water introduction manifold holes 4a and 4a and fuel gas introduction manifold holes 5a and 5a are formed on both sides of the upper side of the fuel cell. A pair of manifold holes 5b and 5b for deriving fuel gas and manifold holes 4b and 4b for deriving water are formed on both sides of the lower side of the fuel cell.

水導入用のマニホールド孔4a、4aには、水ポンプ6から水が供給される一方、燃料ガス導入用のマニホールド孔5a、5aには、水素ガスボンベ7から燃料ガスが供給されている。水導出用のマニホールド孔4b、4b及び燃料ガス導出用のマニホールド孔5b、5bは、分離タンク8に連通しており、この分離タンク8に貯留される水は、冷却器9により冷却された後、水ポンプ6を介してマニホールド孔4a、4aに供給されている。   Water is supplied from a water pump 6 to the water introduction manifold holes 4a and 4a, while fuel gas is supplied from a hydrogen gas cylinder 7 to the fuel gas introduction manifold holes 5a and 5a. The water outlet manifold holes 4b and 4b and the fuel gas outlet manifold holes 5b and 5b communicate with the separation tank 8, and the water stored in the separation tank 8 is cooled by the cooler 9. The water is supplied to the manifold holes 4a and 4a through the water pump 6.

特許第3123992号公報Japanese Patent No. 3123992

上記の特許文献1では、アノード側流路1を流通して反応に使用された燃料ガスに含まれる水は、マニホールド孔4b、4bに導出されて分離タンク8に送られる一方、この使用済みの燃料ガスに含まれる水は、前記分離タンク8に導入されて前記燃料ガスから分離されている。   In the above-mentioned Patent Document 1, water contained in the fuel gas used for the reaction through the anode side flow path 1 is led to the manifold holes 4b and 4b and sent to the separation tank 8, while this used Water contained in the fuel gas is introduced into the separation tank 8 and separated from the fuel gas.

しかしながら、アノード側流路1の下流側(下端部側)には、特に、水が滞留し易く、大量に発生した滞留水を確実に排出することが困難であるという問題がある。   However, the downstream side (lower end portion side) of the anode-side channel 1 has a problem that water is particularly likely to stay and it is difficult to reliably discharge a large amount of the staying water.

しかも、燃料電池には、それぞれ一対の水導入用のマニホールド孔4a、4a、燃料ガス導入用のマニホールド孔5a、5a、水導出用のマニホールド孔4b、4b及び燃料ガス導出用のマニホールド孔5b、5bが設けられている。このため、燃料電池全体の構成が複雑化し、前記燃料電池が大型化するとともに、コストが高騰するという問題がある。   In addition, each of the fuel cells includes a pair of water introduction manifold holes 4a and 4a, a fuel gas introduction manifold hole 5a and 5a, a water discharge manifold hole 4b and 4b, and a fuel gas discharge manifold hole 5b, 5b is provided. For this reason, there is a problem that the configuration of the entire fuel cell is complicated, the fuel cell is increased in size, and the cost is increased.

本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単且つコンパクトな構成で、セパレータ面内から滞留水を容易且つ確実に排出させることが可能な燃料電池を提供することを目的とする。   The present invention solves this type of problem, and an object thereof is to provide a fuel cell capable of easily and reliably discharging stagnant water from the separator surface with a simple and compact configuration.

本発明は、電解質の両側に一対の電極が設けられる電解質・電極構造体とセパレータとが積層される複数の発電ユニットを備え、前記セパレータの電極対向面には、前記電極に沿って燃料ガス又は酸化剤ガスである反応ガスを供給する反応ガス流路が設けられるとともに、積層方向に貫通して前記反応ガスを流通させる反応ガス供給連通孔及び反応ガス排出連通孔が設けられる燃料電池に関するものである。   The present invention includes a plurality of power generation units in which an electrolyte / electrode structure in which a pair of electrodes are provided on both sides of an electrolyte and a separator are stacked, and a fuel gas or The present invention relates to a fuel cell in which a reaction gas flow path for supplying a reaction gas that is an oxidant gas is provided, and a reaction gas supply communication hole and a reaction gas discharge communication hole through which the reaction gas flows are provided. is there.

この燃料電池は、反応ガス流路の下流部位には、反応ガス排出連通孔に連通する出口バッファ部が設けられ、前記出口バッファ部に連通して生成水を排出するための排水連通孔が積層方向に形成されるとともに、前記反応ガス排出連通孔に連通する反応ガス出口マニホールドには、前記排水連通孔に連通する排出マニホールドの出口に、吸い込み口が連通するベンチュリが設けられている。   In this fuel cell, an outlet buffer portion communicating with the reaction gas discharge communication hole is provided at a downstream portion of the reaction gas flow path, and a drain communication hole for discharging the generated water in communication with the outlet buffer portion is laminated. The reaction gas outlet manifold that is formed in the direction and communicates with the reaction gas discharge communication hole is provided with a venturi that communicates with the suction port at the outlet of the discharge manifold that communicates with the drain communication hole.

また、燃料電池は、発電ユニットの積層方向両端にエンドプレートを配設するとともに、一方の前記エンドプレートには、ベンチュリが一体に配置されることが好ましい。   In the fuel cell, it is preferable that end plates are disposed at both ends of the power generation unit in the stacking direction, and a venturi is integrally disposed on one of the end plates.

さらに、ベンチュリは、ダイヤフラムを介して吸い込み口に連通する負圧室と加圧室とに区画されるとともに、反応ガス供給連通孔に連通する反応ガス入口マニホールドと前記加圧室とが連通することが好ましい。   Further, the venturi is partitioned into a negative pressure chamber and a pressurization chamber that communicate with the suction port via a diaphragm, and the reaction gas inlet manifold that communicates with the reaction gas supply communication hole communicates with the pressurization chamber. Is preferred.

本発明によれば、反応ガス出口マニホールドにベンチュリが設けられるとともに、前記ベンチュリの吸い込み口が、出口バッファ部に連通する排水マニホールドの出口に連通している。   According to the present invention, the reaction gas outlet manifold is provided with the venturi, and the venturi suction port communicates with the outlet of the drainage manifold communicating with the outlet buffer portion.

このため、反応ガス出口マニホールドを流通する反応ガスの流速により、ベンチュリの吸い込み口に負圧が発生する。従って、排水マニホールドの出口が吸引され、前記排水マニホールドから反応ガス出口マニホールドに、生成水を円滑且つ確実に排出させることができる。   For this reason, a negative pressure is generated at the suction port of the venturi by the flow rate of the reaction gas flowing through the reaction gas outlet manifold. Accordingly, the outlet of the drainage manifold is sucked, and the generated water can be smoothly and reliably discharged from the drainage manifold to the reaction gas outlet manifold.

本発明の実施形態に係る燃料電池の概略斜視説明図である。1 is a schematic perspective view of a fuel cell according to an embodiment of the present invention. 前記燃料電池を構成する発電ユニットの要部分解斜視説明図である。It is a principal part disassembled perspective explanatory drawing of the electric power generation unit which comprises the said fuel cell. 前記燃料電池の、図2中、III−III線断面説明図である。FIG. 3 is a sectional view of the fuel cell taken along line III-III in FIG. 2. 前記発電ユニットを構成する第2セパレータの正面説明図である。It is front explanatory drawing of the 2nd separator which comprises the said electric power generation unit. 前記燃料電池の要部断面説明図である。It is principal part cross-sectional explanatory drawing of the said fuel cell. 前記燃料電池を構成するベンチュリの動作説明図である。It is operation | movement explanatory drawing of the venturi which comprises the said fuel cell. 特許文献1に開示されている固体高分子型燃料電池の説明図である。2 is an explanatory diagram of a polymer electrolyte fuel cell disclosed in Patent Document 1. FIG.

図1に示すように、本発明の実施形態に係る燃料電池10は、発電ユニット12を備え、複数の前記発電ユニット12が、例えば、水平方向(矢印A方向)に沿って互いに積層されてスタックを構成する。なお、発電ユニット12は、重力方向(鉛直方向)に積層されてもよい。   As shown in FIG. 1, a fuel cell 10 according to an embodiment of the present invention includes a power generation unit 12, and a plurality of the power generation units 12 are stacked together in a horizontal direction (arrow A direction), for example. Configure. In addition, the electric power generation unit 12 may be laminated | stacked on the gravitational direction (vertical direction).

発電ユニット12は、図2及び図3に示すように、第1セパレータ14、電解質膜・電極構造体(電解質・電極構造体)16及び第2セパレータ18を設ける。第1セパレータ14及び第2セパレータ18は、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、めっき処理鋼板、あるいはその金属表面に防食用の表面処理を施した縦長形状の金属板により構成される。   As shown in FIGS. 2 and 3, the power generation unit 12 includes a first separator 14, an electrolyte membrane / electrode structure (electrolyte / electrode structure) 16, and a second separator 18. The first separator 14 and the second separator 18 are made of, for example, a steel plate, a stainless steel plate, an aluminum plate, a plated steel plate, or a vertically long metal plate having a surface treated for anticorrosion on its metal surface.

第1セパレータ14及び第2セパレータ18は、平面が矩形状を有するとともに、金属製薄板を波形状にプレス加工することにより、断面凹凸形状に成形される。なお、第1セパレータ14及び第2セパレータ18は、例えば、カーボンセパレータにより構成してもよい。   The first separator 14 and the second separator 18 have a rectangular planar shape, and are formed into a concavo-convex shape by pressing a metal thin plate into a wave shape. In addition, you may comprise the 1st separator 14 and the 2nd separator 18 with a carbon separator, for example.

電解質膜・電極構造体16は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜22と、前記固体高分子電解質膜22を挟持するアノード側電極24及びカソード側電極26とを備える。アノード側電極24は、カソード側電極26よりも小さな表面積を有する、所謂、段差型MEAを構成している。   The electrolyte membrane / electrode structure 16 includes, for example, a solid polymer electrolyte membrane 22 in which a thin film of perfluorosulfonic acid is impregnated with water, and an anode side electrode 24 and a cathode side electrode 26 that sandwich the solid polymer electrolyte membrane 22. With. The anode side electrode 24 constitutes a so-called stepped MEA having a smaller surface area than the cathode side electrode 26.

アノード側電極24及びカソード側電極26は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層(図示せず)と、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が前記ガス拡散層の表面に一様に塗布されて形成される電極触媒層(図示せず)とを有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜22の両面に形成される。   The anode side electrode 24 and the cathode side electrode 26 are uniformly coated on the surface of the gas diffusion layer with a gas diffusion layer (not shown) made of carbon paper or the like and porous carbon particles carrying a platinum alloy on the surface. And an electrode catalyst layer (not shown) formed. The electrode catalyst layers are formed on both surfaces of the solid polymer electrolyte membrane 22.

図2に示すように、発電ユニット12の長辺方向(矢印C方向)の上端縁部には、矢印A方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス入口連通孔(反応ガス供給連通孔)30a、及び燃料ガス、例えば、水素含有ガスを供給するための燃料ガス入口連通孔(反応ガス供給連通孔)32aが設けられる。   As shown in FIG. 2, the upper end edge of the power generation unit 12 in the long side direction (arrow C direction) communicates with each other in the arrow A direction to oxidize for supplying an oxidant gas, for example, an oxygen-containing gas. An agent gas inlet communication hole (reaction gas supply communication hole) 30a and a fuel gas inlet communication hole (reaction gas supply communication hole) 32a for supplying a fuel gas, for example, a hydrogen-containing gas, are provided.

発電ユニット12の長辺方向(矢印C方向)の下端縁部には、矢印A方向に互いに連通して、燃料ガスを排出するための燃料ガス出口連通孔(反応ガス排出連通孔)32b、及び酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス出口連通孔(反応ガス排出連通孔)30bが設けられる。   A fuel gas outlet communication hole (reactive gas discharge communication hole) 32b for discharging fuel gas to communicate with each other in the arrow A direction at the lower edge of the long side direction (arrow C direction) of the power generation unit 12, and An oxidant gas outlet communication hole (reaction gas discharge communication hole) 30b for discharging the oxidant gas is provided.

発電ユニット12の短辺方向(矢印B方向)の一端縁部には、矢印A方向に互いに連通して、冷却媒体を供給するための冷却媒体入口連通孔34aが設けられるとともに、前記発電ユニット12の短辺方向の他端縁部には、前記冷却媒体を排出するための冷却媒体出口連通孔34bが設けられる。   At one edge of the power generation unit 12 in the short side direction (arrow B direction), there is provided a cooling medium inlet communication hole 34a that communicates with each other in the direction of arrow A and supplies a cooling medium. A cooling medium outlet communication hole 34b for discharging the cooling medium is provided at the other end edge in the short side direction.

第1セパレータ14の電解質膜・電極構造体16に向かう面14aには、燃料ガス入口連通孔32aと燃料ガス出口連通孔32bとを連通する燃料ガス流路(反応ガス流路)36が形成される。燃料ガス流路36は、矢印C方向に延在する複数の波状流路溝部36aを有するとともに、前記燃料ガス流路36の入口近傍及び出口近傍には、それぞれ複数のエンボスを有する入口バッファ部38及び出口バッファ部40が設けられる。   On the surface 14a of the first separator 14 facing the electrolyte membrane / electrode structure 16, a fuel gas flow path (reactive gas flow path) 36 that connects the fuel gas inlet communication hole 32a and the fuel gas outlet communication hole 32b is formed. The The fuel gas channel 36 has a plurality of wave-like channel grooves 36a extending in the direction of arrow C, and an inlet buffer unit 38 having a plurality of embosses in the vicinity of the inlet and the outlet of the fuel gas channel 36, respectively. And an outlet buffer 40 is provided.

第1セパレータ14の面14bには、冷却媒体入口連通孔34aと冷却媒体出口連通孔34bとを連通する冷却媒体流路44の一部である複数の流路溝部44aが形成される。流路溝部44aの入口近傍及び出口近傍には、それぞれ複数のエンボスを有する入口バッファ部46a及び出口バッファ部48aが設けられる。   On the surface 14b of the first separator 14, a plurality of flow channel grooves 44a that are part of the cooling medium flow channel 44 that communicates the cooling medium inlet communication hole 34a and the cooling medium outlet communication hole 34b are formed. An inlet buffer portion 46a and an outlet buffer portion 48a each having a plurality of embosses are provided in the vicinity of the inlet and the outlet of the channel groove 44a.

第2セパレータ18の電解質膜・電極構造体16に向かう面18aには、図4に示すように、酸化剤ガス入口連通孔30aと酸化剤ガス出口連通孔30bとを連通する酸化剤ガス流路(反応ガス流路)50が形成される。酸化剤ガス流路50は、矢印C方向に延在する複数の波状流路溝部50aを有する。酸化剤ガス流路50の入口近傍及び出口近傍には、入口バッファ部52及び出口バッファ部54が設けられる。   On the surface 18a of the second separator 18 facing the electrolyte membrane / electrode structure 16, as shown in FIG. 4, an oxidant gas flow path that connects the oxidant gas inlet communication hole 30a and the oxidant gas outlet communication hole 30b. (Reactive gas flow path) 50 is formed. The oxidant gas channel 50 has a plurality of wave-like channel grooves 50a extending in the direction of arrow C. An inlet buffer portion 52 and an outlet buffer portion 54 are provided in the vicinity of the inlet and the outlet of the oxidizing gas channel 50.

第2セパレータ18の面18bには、図2に示すように、冷却媒体流路44の一部である複数の流路溝部44bが形成される。流路溝部44bの入口近傍及び出口近傍には、それぞれ複数のエンボスを有する入口バッファ部46b及び出口バッファ部48bが設けられる。   As shown in FIG. 2, a plurality of flow channel grooves 44 b that are a part of the cooling medium flow channel 44 are formed on the surface 18 b of the second separator 18. An inlet buffer portion 46b and an outlet buffer portion 48b each having a plurality of embosses are provided in the vicinity of the inlet and outlet of the channel groove 44b.

図2及び図3に示すように、第1セパレータ14の面14a、14bには、この第1セパレータ14の外周端縁部を周回して第1シール部材56が、個別に又は一体に設けられる。第2セパレータ18の面18a、18bには、この第2セパレータ18の外周端縁部を周回して第2シール部材58が、個別に又は一体に設けられる。   As shown in FIGS. 2 and 3, first seal members 56 are individually or integrally provided on the surfaces 14 a and 14 b of the first separator 14 around the outer peripheral edge of the first separator 14. . On the surfaces 18a and 18b of the second separator 18, a second seal member 58 is provided individually or integrally around the outer peripheral edge of the second separator 18.

第1セパレータ14は、燃料ガス入口連通孔32a及び燃料ガス流路36を連通する複数の供給孔部60aと、燃料ガス出口連通孔32b及び前記燃料ガス流路36を連通する複数の排出孔部60bとを有する。   The first separator 14 includes a plurality of supply holes 60a that communicate with the fuel gas inlet communication hole 32a and the fuel gas flow path 36, and a plurality of discharge holes that communicate with the fuel gas outlet communication hole 32b and the fuel gas flow path 36. 60b.

図4に示すように、第2セパレータ18は、酸化剤ガス入口連通孔30a及び酸化剤ガス出口連通孔30bと酸化剤ガス流路50との連通部分には、複数の入口側連結流路62a及び複数の出口側連結流路62bを形成する複数の受け部64a、64bが設けられる。   As shown in FIG. 4, the second separator 18 includes a plurality of inlet side connection flow paths 62 a at the communication portion between the oxidant gas inlet communication hole 30 a and the oxidant gas outlet communication hole 30 b and the oxidant gas flow path 50. And the some receiving part 64a and 64b which form the some exit side connection flow path 62b are provided.

第1セパレータ14及び第2セパレータ18には、酸化剤ガス出口連通孔30b及び燃料ガス出口連通孔32bに近接して排水連通孔66、68が積層方向に形成される。排水連通孔66は、燃料ガス流路36の出口バッファ部40に連通して生成水を排出する一方、排水連通孔68は、酸化剤ガス流路50の出口バッファ部54に連通して生成水を排出する(図2及び図4参照)。   In the first separator 14 and the second separator 18, drainage communication holes 66 and 68 are formed in the stacking direction adjacent to the oxidant gas outlet communication hole 30 b and the fuel gas outlet communication hole 32 b. The drain communication hole 66 communicates with the outlet buffer portion 40 of the fuel gas flow path 36 and discharges generated water, while the drain communication hole 68 communicates with the outlet buffer section 54 of the oxidant gas flow path 50 to generate water. (See FIGS. 2 and 4).

発電ユニット12同士が互いに積層されることにより、一方の発電ユニット12を構成する第1セパレータ14と、他方の発電ユニット12を構成する第2セパレータ18との間には、冷却媒体流路44が形成される。   As the power generation units 12 are stacked on each other, a cooling medium flow path 44 is formed between the first separator 14 constituting one power generation unit 12 and the second separator 18 constituting the other power generation unit 12. It is formed.

図1に示すように、燃料電池10は、複数の発電ユニット12の積層方向一端には、第1ターミナルプレート70a、第1絶縁プレート72a及び第1エンドプレート74aが積層される。燃料電池10の積層方向他端には、第2ターミナルプレート70b、第2絶縁プレート72b及び第2エンドプレート74bが積層される。   As shown in FIG. 1, in the fuel cell 10, a first terminal plate 70 a, a first insulating plate 72 a, and a first end plate 74 a are stacked at one end in the stacking direction of the plurality of power generation units 12. At the other end of the fuel cell 10 in the stacking direction, a second terminal plate 70b, a second insulating plate 72b, and a second end plate 74b are stacked.

長方形状に構成される第1エンドプレート74a及び第2エンドプレート74bは、矢印A方向に延在する複数のタイロッド(図示せず)により一体的に締め付け保持される。なお、燃料電池10は、第1エンドプレート74a及び第2エンドプレート74bを端板として含む箱状ケーシング(図示せず)により一体的に保持されてもよい。   The first end plate 74a and the second end plate 74b configured in a rectangular shape are integrally clamped and held by a plurality of tie rods (not shown) extending in the arrow A direction. The fuel cell 10 may be integrally held by a box-shaped casing (not shown) including the first end plate 74a and the second end plate 74b as end plates.

第1エンドプレート74aの上部には、酸化剤ガス入口連通孔30aに連通する酸化剤ガス入口マニホールド(反応ガス入口マニホールド)80aと、燃料ガス入口連通孔32aに連通する燃料ガス入口マニホールド(反応ガス入口マニホールド)82aとが貫通形成される。第1エンドプレート74aの下部側には、酸化剤ガス出口連通孔30bに連通する酸化剤ガス出口マニホールド(反応ガス出口マニホールド)80bと、燃料ガス出口連通孔32bに連通する燃料ガス出口マニホールド(反応ガス出口マニホールド)82bとが形成される。   An oxidant gas inlet manifold (reactive gas inlet manifold) 80a that communicates with the oxidant gas inlet communication hole 30a and a fuel gas inlet manifold (reactive gas) that communicates with the fuel gas inlet communication hole 32a are provided at the top of the first end plate 74a. An inlet manifold) 82a is formed therethrough. On the lower side of the first end plate 74a, an oxidant gas outlet manifold (reaction gas outlet manifold) 80b communicating with the oxidant gas outlet communication hole 30b and a fuel gas outlet manifold (reaction) communicating with the fuel gas outlet communication hole 32b are provided. Gas outlet manifold) 82b.

第2エンドプレート74bには、冷却媒体入口連通孔34aに連通する冷却媒体入口マニホールド84aと、冷却媒体出口連通孔34bに連通する冷却媒体出口マニホールド84bとが貫通形成される。   A cooling medium inlet manifold 84a that communicates with the cooling medium inlet communication hole 34a and a cooling medium outlet manifold 84b that communicates with the cooling medium outlet communication hole 34b are formed through the second end plate 74b.

図5に示すように、第1エンドプレート74aには、排水連通孔68に連通する排水マニホールド86が形成される。排水マニホールド86は、一端が発電ユニット12の各排水連通孔68に連通するとともに、他端が水平方向(矢印A方向)から鉛直下方向(矢印C方向)に湾曲乃至屈曲して、酸化剤ガス出口マニホールド80bに開口する。   As shown in FIG. 5, a drain manifold 86 that communicates with the drain communication hole 68 is formed in the first end plate 74 a. One end of the drainage manifold 86 communicates with each drainage communication hole 68 of the power generation unit 12, and the other end is curved or bent from the horizontal direction (arrow A direction) to the vertical downward direction (arrow C direction). Open to the outlet manifold 80b.

酸化剤ガス出口マニホールド80bは、酸化剤ガス出口連通孔30bから外方に向かって開口幅寸法が小さくなるようにテーパ状に形成される一方、第1エンドプレート74aには、排水マニホールド86のマニホールド出口86aに対向してベンチュリ88が配設される。   The oxidant gas outlet manifold 80b is formed in a tapered shape so that the opening width dimension decreases outwardly from the oxidant gas outlet communication hole 30b, while the manifold of the drainage manifold 86 is formed on the first end plate 74a. A venturi 88 is disposed opposite the outlet 86a.

ベンチュリ88は、第1エンドプレート74aに一体化される筐体90を備える。筐体90内には、ピストン92が酸化剤ガス出口マニホールド80bに進退可能に収容されるとともに、前記ピストン92の先端側に設けられた受け部94と、筐体90の底面との間には、スプリング96が介装される。   The venturi 88 includes a housing 90 that is integrated with the first end plate 74a. In the housing 90, the piston 92 is accommodated in the oxidant gas outlet manifold 80b so as to be able to advance and retract, and between the receiving portion 94 provided on the tip end side of the piston 92 and the bottom surface of the housing 90, A spring 96 is interposed.

酸化剤ガス出口マニホールド80bは、酸化剤ガス出口連通孔30bから外方に向かって開口断面積が減少するように、例えば、テーパ孔部を構成する。   The oxidant gas outlet manifold 80b has, for example, a tapered hole portion so that the opening cross-sectional area decreases outward from the oxidant gas outlet communication hole 30b.

スプリング96は、受け部94に当接することにより、ピストン92を酸化剤ガス出口マニホールド80b内に突出した状態で保持する。ピストン92の先端部には、小径な吸い込み口98が形成され、この吸い込み口98が酸化剤ガス出口マニホールド80bに開口する。ピストン92の後端部と筐体90の内壁面との間には、ダイヤフラム100が取り付けられる。   The spring 96 abuts on the receiving portion 94 to hold the piston 92 in a state of protruding into the oxidant gas outlet manifold 80b. A small-diameter suction port 98 is formed at the tip of the piston 92, and the suction port 98 opens into the oxidant gas outlet manifold 80b. A diaphragm 100 is attached between the rear end portion of the piston 92 and the inner wall surface of the housing 90.

ベンチュリ88内には、ダイヤフラム100を介して吸い込み口98に連通する負圧室102と、加圧室104とに区画される。酸化剤ガス入口マニホールド80aと加圧室104とは、圧力管106を介して連通する。筐体90には、圧力管106が接続されるエアベンド部108が設けられる。   The venturi 88 is partitioned into a negative pressure chamber 102 communicating with the suction port 98 via the diaphragm 100 and a pressurization chamber 104. The oxidant gas inlet manifold 80 a and the pressurizing chamber 104 communicate with each other via the pressure pipe 106. The casing 90 is provided with an air bend unit 108 to which the pressure pipe 106 is connected.

なお、燃料ガス流路36の出口バッファ部40に連通して生成水を排出する排水連通孔66は、図示しないが、上記の酸化剤ガス流路50の出口バッファ部54に連通して生成水を排出する排水連通孔68と同様に、排水マニホールドに連通するとともに、ベンチュリにより吸引される。   Although not shown, the drain communication hole 66 that communicates with the outlet buffer section 40 of the fuel gas flow path 36 and discharges the generated water communicates with the outlet buffer section 54 of the oxidant gas flow path 50 to generate the generated water. In the same manner as the drainage communication hole 68 that discharges water, it communicates with the drainage manifold and is sucked by the venturi.

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

先ず、図1に示すように、第1エンドプレート74aの酸化剤ガス入口マニホールド80aから酸化剤ガス入口連通孔30aには、酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス入口マニホールド82aから燃料ガス入口連通孔32aには、水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。   First, as shown in FIG. 1, an oxidant gas such as an oxygen-containing gas is supplied from an oxidant gas inlet manifold 80a of the first end plate 74a to the oxidant gas inlet communication hole 30a, and a fuel gas inlet manifold. Fuel gas such as hydrogen-containing gas is supplied from 82a to the fuel gas inlet communication hole 32a.

さらに、第2エンドプレート74bの冷却媒体入口マニホールド84aから冷却媒体入口連通孔34aには、純水やエチレングリコールオイル等の冷却媒体が供給される。   Further, a cooling medium such as pure water or ethylene glycol oil is supplied from the cooling medium inlet manifold 84a of the second end plate 74b to the cooling medium inlet communication hole 34a.

このため、図2に示すように、酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔30aから第2セパレータ18の酸化剤ガス流路50に導入される。この酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路50に沿って矢印C方向(重力方向)に移動し、電解質膜・電極構造体16のカソード側電極26に供給される(図4参照)。   Therefore, as shown in FIG. 2, the oxidant gas is introduced into the oxidant gas flow path 50 of the second separator 18 from the oxidant gas inlet communication hole 30a. The oxidant gas moves in the direction of arrow C (gravity direction) along the oxidant gas flow path 50 and is supplied to the cathode side electrode 26 of the electrolyte membrane / electrode structure 16 (see FIG. 4).

一方、燃料ガスは、図3に示すように、燃料ガス入口連通孔32aから供給孔部60aを通って第1セパレータ14の面14a側に移動する。燃料ガスは、燃料ガス流路36に沿って重力方向(矢印C方向)に移動し、電解質膜・電極構造体16のアノード側電極24に供給される(図2及び図3参照)。   On the other hand, as shown in FIG. 3, the fuel gas moves from the fuel gas inlet communication hole 32a to the surface 14a side of the first separator 14 through the supply hole 60a. The fuel gas moves in the gravitational direction (arrow C direction) along the fuel gas flow path 36 and is supplied to the anode electrode 24 of the electrolyte membrane / electrode structure 16 (see FIGS. 2 and 3).

従って、電解質膜・電極構造体16では、カソード側電極26に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極24に供給される燃料ガスとが、電極触媒層内で電気化学反応により消費されて発電が行われる。   Therefore, in the electrolyte membrane / electrode structure 16, the oxidant gas supplied to the cathode side electrode 26 and the fuel gas supplied to the anode side electrode 24 are consumed by an electrochemical reaction in the electrode catalyst layer to generate power. Is done.

次いで、電解質膜・電極構造体16のカソード側電極26に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス出口連通孔30bに沿って矢印A方向に排出される。一方、電解質膜・電極構造体16のアノード側電極24に供給されて消費された燃料ガスは、排出孔部60bを通って第1セパレータ14の面14b側に導出される。面14b側に導出された燃料ガスは、燃料ガス出口連通孔32bに排出される。   Next, the oxidant gas supplied and consumed to the cathode electrode 26 of the electrolyte membrane / electrode structure 16 is discharged in the direction of arrow A along the oxidant gas outlet communication hole 30b. On the other hand, the fuel gas supplied and consumed to the anode side electrode 24 of the electrolyte membrane / electrode structure 16 is led to the surface 14b side of the first separator 14 through the discharge hole 60b. The fuel gas led out to the surface 14b side is discharged to the fuel gas outlet communication hole 32b.

また、冷却媒体入口連通孔34aに供給された冷却媒体は、図2及び図3に示すように、一方の発電ユニット12を構成する第1セパレータ14と、他方の発電ユニット12を構成する第2セパレータ18との間に形成された冷却媒体流路44に導入される。   Further, as shown in FIGS. 2 and 3, the cooling medium supplied to the cooling medium inlet communication hole 34 a includes the first separator 14 constituting one power generation unit 12 and the second separator constituting the other power generation unit 12. It is introduced into a cooling medium flow path 44 formed between the separator 18.

これにより、冷却媒体入口連通孔34aから冷却媒体流路44に供給される冷却媒体は、矢印B方向に移動して発電ユニット12を冷却した後、冷却媒体出口連通孔34bに排出される。   Thereby, the cooling medium supplied from the cooling medium inlet communication hole 34a to the cooling medium flow path 44 moves in the direction of arrow B to cool the power generation unit 12, and then is discharged to the cooling medium outlet communication hole 34b.

この場合、本実施形態では、図5に示すように、酸化剤ガス出口マニホールド80bにベンチュリ88が設けられるとともに、前記ベンチュリ88の吸い込み口98は、前記酸化剤ガス出口マニホールド80bに突出して排水マニホールド86のマニホールド出口86aに連通している。   In this case, in the present embodiment, as shown in FIG. 5, a venturi 88 is provided in the oxidant gas outlet manifold 80b, and a suction port 98 of the venturi 88 protrudes into the oxidant gas outlet manifold 80b and is a drainage manifold. It communicates with 86 manifold outlets 86a.

このため、酸化剤ガス出口マニホールド80bを流通する排出酸化剤ガスの流速により、ベンチュリ88の吸い込み口98に負圧が発生する。従って、排水マニホールド86のマニホールド出口86aが吸引され、前記排水マニホールド86が連通する排水連通孔68から酸化剤ガス出口マニホールド80bに生成水を円滑且つ確実に排出させることができるという効果が得られる。   For this reason, a negative pressure is generated at the suction port 98 of the venturi 88 due to the flow rate of the exhaust oxidant gas flowing through the oxidant gas outlet manifold 80b. Accordingly, the manifold outlet 86a of the drainage manifold 86 is sucked, and the produced water can be smoothly and reliably discharged from the drainage communication hole 68 through which the drainage manifold 86 communicates to the oxidant gas outlet manifold 80b.

さらに、排水連通孔68は、図4に示すように、酸化剤ガス流路50の下端部位(下流側)に連通する出口バッファ部54の下方位置に設けられている。これにより、反応生成水は、排水連通孔68に重力を介して排出され、各発電ユニット12の酸化剤ガス流路50から排出される生成水は、排水マニホールド86に吸引されて酸化剤ガス出口マニホールド80bに排出される。   Further, as shown in FIG. 4, the drain communication hole 68 is provided at a position below the outlet buffer portion 54 that communicates with the lower end portion (downstream side) of the oxidant gas flow path 50. As a result, the reaction product water is discharged to the drain communication hole 68 through gravity, and the product water discharged from the oxidant gas flow path 50 of each power generation unit 12 is sucked into the drain manifold 86 and is discharged to the oxidant gas outlet. It is discharged to the manifold 80b.

また、燃料ガス流路36の生成水は、排水連通孔66に排出され、図示しない排出マニホールドからベルチェを介して燃料ガス出口マニホールド82bに円滑且つ確実に排出される。   Further, the generated water in the fuel gas passage 36 is discharged to the drain communication hole 66, and is smoothly and reliably discharged from a discharge manifold (not shown) to the fuel gas outlet manifold 82b via the Belche.

ところで、ベンチュリ88では、加圧室104が圧力管106を介して酸化剤ガス入口マニホールド80aに連通している。このため、燃料電池10に供給される酸化剤ガスの流量が少ない際には、酸化剤ガス入口マニホールド80aの圧力が低下し、加圧室104に作用する酸化剤ガスの圧力が低下する。一方、酸化剤ガス出口マニホールド80bでは、流通する酸化剤ガスの流量が低下する。   Incidentally, in the venturi 88, the pressurizing chamber 104 communicates with the oxidant gas inlet manifold 80a via the pressure pipe 106. For this reason, when the flow rate of the oxidant gas supplied to the fuel cell 10 is small, the pressure of the oxidant gas inlet manifold 80a decreases, and the pressure of the oxidant gas acting on the pressurizing chamber 104 decreases. On the other hand, in the oxidant gas outlet manifold 80b, the flow rate of the flowing oxidant gas decreases.

従って、ベンチュリ88の吸い込み口98に発生する負圧が小さくなり、負圧室102と加圧室104との圧力差が減少する。これにより、ピストン92は、スプリング96の弾性力を介して、図6中、矢印C1方向(酸化剤ガス出口マニホールド80b側)に突出する。このため、ピストン92は、酸化剤ガス出口マニホールド80b側に大きく突出し、吸い込み口98は、排水マニホールド86のマニホールド出口86aに近接する。   Therefore, the negative pressure generated at the suction port 98 of the venturi 88 is reduced, and the pressure difference between the negative pressure chamber 102 and the pressurizing chamber 104 is reduced. As a result, the piston 92 protrudes in the direction of the arrow C1 (oxidant gas outlet manifold 80b side) in FIG. 6 via the elastic force of the spring 96. For this reason, the piston 92 largely protrudes toward the oxidant gas outlet manifold 80 b, and the suction port 98 is close to the manifold outlet 86 a of the drainage manifold 86.

この結果、酸化剤ガス出口マニホールド80bを流通する酸化剤ガスの流量が少ない際にも、吸い込み口98に負圧を発生させ、マニホールド出口86aから前記酸化剤ガス出口マニホールド80bへの生成水の吸い込み処理が良好に遂行される。   As a result, even when the flow rate of the oxidant gas flowing through the oxidant gas outlet manifold 80b is small, a negative pressure is generated at the suction port 98, and the generated water is sucked from the manifold outlet 86a into the oxidant gas outlet manifold 80b. Processing is performed well.

一方、酸化剤ガス入口マニホールド80aに供給される酸化剤ガスの流量が増大する際には、図5に示すように、圧力管106を介して加圧室104に導入される酸化剤ガスの圧力が増加する。さらに、酸化剤ガス出口マニホールド80bを流通する酸化剤ガスの流量が増大し、吸い込み口98から負圧室102に発生する負圧が大きくなる。   On the other hand, when the flow rate of the oxidant gas supplied to the oxidant gas inlet manifold 80a increases, as shown in FIG. 5, the pressure of the oxidant gas introduced into the pressurization chamber 104 via the pressure pipe 106 is shown. Will increase. Furthermore, the flow rate of the oxidant gas flowing through the oxidant gas outlet manifold 80b increases, and the negative pressure generated in the negative pressure chamber 102 from the suction port 98 increases.

これにより、負圧室102と加圧室104との圧力差が増大し、ピストン92は、スプリング96の弾性力に抗して矢印C2方向(酸化剤ガス出口マニホールド80bから離間する方向)に移動する。従って、ピストン92により酸化剤ガス出口マニホールド80bの開口径が拡大し、酸化剤ガスの良好な流通が図られるとともに、マニホールド出口86aから酸化剤ガス出口マニホールド80bに生成水を良好に吸引することができるという利点が得られる。   As a result, the pressure difference between the negative pressure chamber 102 and the pressurizing chamber 104 increases, and the piston 92 moves in the direction of the arrow C2 (the direction away from the oxidant gas outlet manifold 80b) against the elastic force of the spring 96. To do. Therefore, the opening diameter of the oxidant gas outlet manifold 80b is enlarged by the piston 92, and the oxidant gas can be favorably distributed, and the generated water can be satisfactorily sucked from the manifold outlet 86a to the oxidant gas outlet manifold 80b. The advantage that it can be obtained.

なお、燃料ガス流路36では、酸化剤ガス流路50と同様に構成されており、上記と同様の効果が得られる。   The fuel gas channel 36 is configured in the same manner as the oxidant gas channel 50, and the same effect as described above can be obtained.

10…燃料電池 12…発電ユニット
14、18…セパレータ 16…電解質膜・電極構造体
22…固体高分子電解質膜 24…アノード側電極
26…カソード側電極 30a…酸化剤ガス入口連通孔
30b…酸化剤ガス出口連通孔 32a…燃料ガス入口連通孔
32b…燃料ガス出口連通孔 34a…冷却媒体入口連通孔
34b…冷却媒体出口連通孔 36…燃料ガス流路
38、46a、46b、52…入口バッファ部
40、48a、48b、54…出口バッファ部
44…冷却媒体流路 50…酸化剤ガス流路
66、68…排水連通孔 74a、74b…エンドプレート
80a…酸化剤ガス入口マニホールド 80b…酸化剤ガス出口マニホールド
82a…燃料ガス入口マニホールド 82b…燃料ガス出口マニホールド
88…ベンチュリ 90…筐体
92…ピストン 96…スプリング
98…吸い込み口 100…ダイヤフラム
102…負圧室 104…加圧室
106…圧力管
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Fuel cell 12 ... Electric power generation unit 14, 18 ... Separator 16 ... Electrolyte membrane electrode structure 22 ... Solid polymer electrolyte membrane 24 ... Anode side electrode 26 ... Cathode side electrode 30a ... Oxidant gas inlet communication hole 30b ... Oxidant Gas outlet communication hole 32a ... Fuel gas inlet communication hole 32b ... Fuel gas outlet communication hole 34a ... Cooling medium inlet communication hole 34b ... Cooling medium outlet communication hole 36 ... Fuel gas flow paths 38, 46a, 46b, 52 ... Inlet buffer section 40 , 48a, 48b, 54 ... outlet buffer section 44 ... cooling medium flow path 50 ... oxidant gas flow path 66, 68 ... drainage communication hole 74a, 74b ... end plate 80a ... oxidant gas inlet manifold 80b ... oxidant gas outlet manifold 82a ... Fuel gas inlet manifold 82b ... Fuel gas outlet manifold 88 ... Venturi 90 ... Housing 92 Piston 96 ... spring 98 ... suction port 100 ... Diaphragm 102 ... negative pressure chamber 104 ... pressurizing chamber 106 ... pressure tube

Claims (3)

電解質の両側に一対の電極が設けられる電解質・電極構造体とセパレータとが積層される複数の発電ユニットを備え、前記セパレータの電極対向面には、前記電極に沿って燃料ガス又は酸化剤ガスである反応ガスを供給する反応ガス流路が設けられるとともに、積層方向に貫通して前記反応ガスを流通させる反応ガス供給連通孔及び反応ガス排出連通孔が設けられる燃料電池であって、
前記反応ガス流路の下流部位には、前記反応ガス排出連通孔に連通する出口バッファ部が設けられ、前記出口バッファ部に連通して生成水を排出するための排水連通孔が前記積層方向に形成されるとともに、
前記反応ガス排出連通孔に連通する反応ガス出口マニホールドには、前記排水連通孔に連通する排水マニホールドの出口に、吸い込み口が連通するベンチュリが設けられることを特徴とする燃料電池。
A plurality of power generation units in which an electrolyte / electrode structure provided with a pair of electrodes on both sides of the electrolyte and a separator are stacked, and a fuel gas or an oxidant gas along the electrodes are provided on the electrode facing surface of the separator. A fuel cell is provided with a reaction gas flow path for supplying a reaction gas and a reaction gas supply communication hole and a reaction gas discharge communication hole through which the reaction gas flows in the stacking direction,
An outlet buffer part communicating with the reactive gas discharge communication hole is provided at a downstream portion of the reactive gas flow path, and a drain communication hole for discharging generated water in communication with the outlet buffer part is provided in the stacking direction. As it is formed,
The fuel cell according to claim 1, wherein the reaction gas outlet manifold communicating with the reaction gas discharge communication hole is provided with a venturi having a suction port communicating with an outlet of the drainage manifold communicating with the drainage communication hole.
請求項1記載の燃料電池において、前記燃料電池は、前記発電ユニットの積層方向両端にエンドプレートを配設するとともに、
一方の前記エンドプレートには、前記ベンチュリが一体に配置されることを特徴とする燃料電池。
2. The fuel cell according to claim 1, wherein the fuel cell has end plates disposed at both ends in the stacking direction of the power generation unit, and
The fuel cell according to claim 1, wherein the venturi is integrally disposed on one of the end plates.
請求項1又は2記載の燃料電池において、前記ベンチュリは、ダイヤフラムを介して前記吸い込み口に連通する負圧室と加圧室とに区画されるとともに、
前記反応ガス供給連通孔に連通する反応ガス入口マニホールドと前記加圧室とが連通することを特徴とする燃料電池。
3. The fuel cell according to claim 1, wherein the venturi is partitioned into a negative pressure chamber and a pressurization chamber that communicate with the suction port via a diaphragm.
A fuel cell, wherein a reaction gas inlet manifold communicating with the reaction gas supply communication hole communicates with the pressurizing chamber.
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