JP2013206876A - Fuel cell - Google Patents

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秀晴 内藤
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell that, with a simple configuration, allows produced water, which is likely to be accumulated on a lower side of a reactant gas passage in the direction of gravitational force, to be easily and reliably drained from the reactant gas passage.SOLUTION: A fuel cell 10 includes power generation units 12, each having a first metal separator 14, a first membrane electrode assembly 16a, a second metal separator 18, a second membrane electrode assembly 16b, and a third metal separator 20. A first oxidant gas passage 26 is formed on a surface 14a of the first metal separator 14. At a lower end of the first oxidant gas passage 26 in the direction of gravitational force, a first cathode drainage channel 32 is provided for draining produced water to a drainage passage 36. The first cathode drainage channel 32 has a plurality of connecting channels 32a that are defined by uneven portions 34a and 34b. The cross-sectional areas of the connecting channels 32a become gradually smaller in an oxidant gas flow direction.

Description

本発明は、電解質膜の両側に一対の電極が設けられる電解質膜・電極構造体とセパレータとが水平方向に沿って積層されるとともに、電極面が重力方向に沿った鉛直姿勢で且つ水平方向に長尺な横長形状を有し、酸化剤ガス又は燃料ガスである反応ガスを前記電極面の長手方向に沿って流通させる反応ガス流路が設けられる燃料電池に関する。   In the present invention, an electrolyte membrane / electrode structure provided with a pair of electrodes on both sides of an electrolyte membrane and a separator are laminated in a horizontal direction, and the electrode surface is in a vertical posture along the direction of gravity and in the horizontal direction. The present invention relates to a fuel cell having a long horizontally long shape and provided with a reaction gas channel through which a reaction gas that is an oxidant gas or a fuel gas flows along the longitudinal direction of the electrode surface.

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、それぞれアノード電極及びカソード電極を設けた電解質膜・電極構造体(MEA)を、一対のセパレータによって挟持している。燃料電池は、通常、複数積層されて燃料電池スタックを構成するとともに、定置用の他、車載用として燃料電池車両に組み込まれることにより、車載用燃料電池システムとして使用されている。   For example, in a polymer electrolyte fuel cell, an electrolyte membrane / electrode structure (MEA) provided with an anode electrode and a cathode electrode on both sides of an electrolyte membrane made of a polymer ion exchange membrane is sandwiched between a pair of separators. Yes. In general, a plurality of fuel cells are stacked to form a fuel cell stack, and are used as an in-vehicle fuel cell system by being incorporated in a fuel cell vehicle for in-vehicle use as well as for stationary use.

燃料電池では、セパレータの面内に、アノード電極に燃料ガスを流すための燃料ガス流路(以下、反応ガス流路ともいう)と、カソード電極に酸化剤ガスを流すための酸化剤ガス流路(以下、反応ガス流路ともいう)とが設けられている。さらに、各発電セル毎又は複数の発電セル毎に、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電極面方向に沿って設けられている。   In a fuel cell, a fuel gas flow path (hereinafter also referred to as a reaction gas flow path) for flowing a fuel gas to the anode electrode and an oxidant gas flow path for flowing an oxidant gas to the cathode electrode in the plane of the separator (Hereinafter also referred to as a reaction gas channel). Further, for each power generation cell or for each of the plurality of power generation cells, a cooling medium flow path for flowing a cooling medium is provided along the electrode surface direction between adjacent separators.

この種の燃料電池では、良好なイオン伝導性を確保するために、電解質膜を保湿する必要がある。このため、反応ガスである酸化剤ガス(例えば、空気)や燃料ガス(例えば、水素ガス)を加湿して燃料電池に供給する方式が採用されている。   In this type of fuel cell, it is necessary to moisturize the electrolyte membrane in order to ensure good ion conductivity. For this reason, a method is employed in which an oxidizing gas (for example, air) or a fuel gas (for example, hydrogen gas), which is a reactive gas, is humidified and supplied to the fuel cell.

その際、加湿用の水分が、電解質膜に吸収されずに液状化され、反応ガス流路に滞留する場合がある。一方、燃料電池では、発電反応によりカソード電極に生成水が発生するとともに、アノード電極には、前記生成水が電解質膜を介して逆拡散している。このため、反応ガス流路(特に、酸化剤ガス流路)の重力方向下端側には、重力の作用により水分が凝縮して滞留し易く、凝縮水によるフラッディングが惹起するおそれがある。   At this time, moisture for humidification may be liquefied without being absorbed by the electrolyte membrane and stay in the reaction gas flow path. On the other hand, in the fuel cell, generated water is generated at the cathode electrode by a power generation reaction, and the generated water is back-diffused through the electrolyte membrane in the anode electrode. For this reason, moisture tends to condense and stay on the lower end side in the gravity direction of the reaction gas channel (particularly, the oxidant gas channel) due to the action of gravity, and flooding due to condensed water may occur.

そこで、例えば、特許文献1に開示されている燃料電池が知られている。この燃料電池では、図19に示すように、セル1の積層方向と直交する前記セル1の主面1a、1cが鉛直方向に配置されて使用されている。   Thus, for example, a fuel cell disclosed in Patent Document 1 is known. In this fuel cell, as shown in FIG. 19, the principal surfaces 1a and 1c of the cell 1 perpendicular to the stacking direction of the cells 1 are arranged in the vertical direction.

各セル1では、前記セル1の主面1a、1cが鉛直方向に配置された際に、アノード側セパレータ2a及びカソード側セパレータ2cの内面のうち、触媒層3a、3c及び拡散層4a、4cよりも下方に位置する部位には、排水流路用のアノード側溝部5a及びカソード側溝部5cが設けられている。   In each cell 1, when the main surfaces 1a and 1c of the cell 1 are arranged in the vertical direction, among the inner surfaces of the anode side separator 2a and the cathode side separator 2c, from the catalyst layers 3a and 3c and the diffusion layers 4a and 4c. In addition, an anode-side groove portion 5a and a cathode-side groove portion 5c for the drainage channel are provided in a portion located below.

アノード側溝部5aは、アノード側セパレータ2aの燃料ガス流路6aとは連通しておらず、セル1中の水を集める機能を有している。カソード側溝部5cは、カソード側セパレータ2cの酸化剤ガス流路6cとは連通しておらず、セル1中の水を集める機能を有している。   The anode-side groove 5a is not in communication with the fuel gas flow path 6a of the anode-side separator 2a, and has a function of collecting water in the cell 1. The cathode-side groove 5c is not in communication with the oxidant gas flow path 6c of the cathode-side separator 2c, and has a function of collecting water in the cell 1.

このように構成される燃料電池では、アノード側溝部5a及びカソード側溝部5cよりも上方に位置する発電領域から、水が重力により落ちてきて前記アノード側溝部5a及び前記カソード側溝部5cに溜められるため、発電領域内の水は、重力により水を除去することができる、としている。   In the fuel cell configured as described above, water falls due to gravity from the power generation region located above the anode-side groove 5a and the cathode-side groove 5c and is collected in the anode-side groove 5a and the cathode-side groove 5c. Therefore, the water in the power generation region can be removed by gravity.

特開2006−351323号公報JP 2006-351323 A

上記の特許文献1では、アノード側溝部5a及びカソード側溝部5cが燃料ガス流路6a及び酸化剤ガス流路6cとは連通していない。従って、燃料ガス流路6a及び酸化剤ガス流路6cの水は、拡散層4a、4cを透過してアノード側溝部5a及びカソード側溝部5cに自重により集められている。   In Patent Document 1, the anode side groove 5a and the cathode side groove 5c do not communicate with the fuel gas channel 6a and the oxidant gas channel 6c. Therefore, the water in the fuel gas channel 6a and the oxidant gas channel 6c passes through the diffusion layers 4a and 4c and is collected by its own weight in the anode-side groove portion 5a and the cathode-side groove portion 5c.

しかしながら、発電時において、特に酸化剤ガス流路6cには、多量の生成水が発生している。このため、酸化剤ガス流路6cには、拡散層4cを透過する水分量に比べて多量の滞留水が発生し易い。これにより、酸化剤ガス流路6cからカソード側溝部5cに水を効果的に除去することができないという問題がある。   However, during power generation, a large amount of generated water is generated particularly in the oxidant gas flow path 6c. For this reason, a large amount of stagnant water is likely to be generated in the oxidant gas flow path 6c compared to the amount of water that permeates the diffusion layer 4c. Accordingly, there is a problem that water cannot be effectively removed from the oxidant gas flow path 6c to the cathode side groove 5c.

従って、酸化剤ガス流路6cには、滞留水が残存してしまい、酸化剤ガスの円滑な流れが阻止されるとともに、アノード側からカソード側にクロスリークが発生するおそれがある。   Therefore, stagnant water remains in the oxidant gas flow path 6c, and a smooth flow of the oxidant gas is prevented, and a cross leak may occur from the anode side to the cathode side.

本発明は、この種の問題を解決するものであり、簡単な構成で、反応ガス流路内の重力方向下方に滞留し易い生成水を、容易且つ確実に前記反応ガス流路から排出す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 easily and reliably discharges generated water that tends to stay below the direction of gravity in the reaction gas flow path from the reaction gas flow path with a simple configuration. An object of the present invention is to provide a fuel cell capable of performing

本発明は、電解質膜の両側に一対の電極が設けられる電解質膜・電極構造体とセパレータとが水平方向に沿って積層されるとともに、電極面が重力方向に沿った鉛直姿勢で且つ水平方向に長尺な横長形状を有し、酸化剤ガス又は燃料ガスである反応ガスを前記電極面の長手方向に沿って流通させる反応ガス流路が設けられる燃料電池に関するものである。   In the present invention, an electrolyte membrane / electrode structure provided with a pair of electrodes on both sides of an electrolyte membrane and a separator are laminated in a horizontal direction, and the electrode surface is in a vertical posture along the direction of gravity and in the horizontal direction. The present invention relates to a fuel cell having a long horizontally long shape and provided with a reaction gas channel through which a reaction gas that is an oxidant gas or a fuel gas flows along the longitudinal direction of the electrode surface.

この燃料電池では、反応ガス流路の重力方向下方には、セパレータの長手方向に延在する排水用流路が設けられるとともに、前記反応ガス流路の重力方向最下端と前記排水用流路とを連通する複数の連結通路を備えている。そして、連結通路は、反応ガス流路の反応ガス流れ方向に向かって段階的に通路断面積が小さくなるように構成されている。   In this fuel cell, a drainage flow path extending in the longitudinal direction of the separator is provided below the reaction gas flow path in the gravity direction, and the bottom end in the gravity direction of the reaction gas flow path and the drainage flow path are provided. A plurality of connecting passages communicating with each other. The connection passage is configured such that the passage cross-sectional area gradually decreases in the reaction gas flow direction of the reaction gas passage.

また、この燃料電池では、隣接する連結通路同士の間隔は、反応ガス流れ方向に向かって小さくなるように構成されることが好ましい。   Further, in this fuel cell, it is preferable that the interval between the adjacent connection passages is configured to become smaller in the reaction gas flow direction.

さらに、この燃料電池では、セパレータの水平方向一端下部には、反応ガス流路に連通し積層方向に貫通する反応ガス出口連通孔が設けられ、前記反応ガス出口連通孔には、排水用流路が連通することが好ましい。   Furthermore, in this fuel cell, a reaction gas outlet communication hole that communicates with the reaction gas flow path and penetrates in the stacking direction is provided at a lower end of the horizontal end of the separator, and the reaction gas outlet communication hole includes a drain flow path. Are preferably communicated.

本発明によれば、水平方向に長尺な電極面に沿って反応ガスが流通されると、反応により水が生成されるとともに、この水は、反応ガス流路の重力方向下方に移動して滞留し易い。その際、反応ガス流路の重力方向下方には、連結通路が設けられており、前記反応ガス流路の重力方向下方に移動した水は、前記連結通路から排水用流路に排出されている。   According to the present invention, when the reaction gas is circulated along the electrode surface that is long in the horizontal direction, water is generated by the reaction, and the water moves downward in the gravity direction of the reaction gas channel. Easy to stay. At that time, a connecting passage is provided below the reaction gas passage in the gravity direction, and the water that has moved downward in the gravity direction of the reaction gas passage is discharged from the connection passage to the drainage passage. .

反応ガス流路の反応ガス流れ方向下流側には、反応ガス流れ方向上流側に比べて多量の生成水が生成されている。ここで、連結通路は、反応ガス流路の反応ガス流れ方向に向かって段階的に通路断面積が小さく構成されるため、圧損が高くなっている。従って、反応ガス流れ方向下流に滞留する比較的多量の生成水は、連結通路から排水用流路に強制的に排出される。   A large amount of product water is generated on the downstream side of the reactive gas flow direction in the reactive gas flow direction compared to the upstream side in the reactive gas flow direction. Here, the connecting passage is configured such that the passage cross-sectional area is gradually reduced toward the reaction gas flow direction of the reaction gas flow path, so that the pressure loss is increased. Accordingly, a relatively large amount of generated water staying downstream in the reaction gas flow direction is forcibly discharged from the connection passage to the drainage passage.

これにより、簡単な構成で、反応ガス流路内の重力方向下方に滞留し易い生成水を、容易且つ確実に前記反応ガス流路から排出することが可能になる。このため、反応ガス流路の下部には、滞留水によるアノード側からカソード側へのクロスリークが発生することを良好に抑制することができる。   Thereby, it is possible to easily and reliably discharge the generated water that tends to stay below the direction of gravity in the reaction gas channel with a simple configuration. For this reason, it is possible to satisfactorily suppress the occurrence of cross leak from the anode side to the cathode side due to the staying water in the lower part of the reaction gas channel.

本発明の第1の実施形態に係る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 fuel cell which concerns on the 1st Embodiment of this invention. 前記発電ユニットの、図1中、II−II線断面説明図である。FIG. 2 is a cross-sectional explanatory view taken along line II-II in FIG. 1 of the power generation unit. 前記発電ユニットの、図1中、III−III線断面説明図である。FIG. 3 is a cross-sectional explanatory view taken along line III-III in FIG. 1 of the power generation unit. 前記発電ユニットの、図1中、IV−IV線断面説明図である。FIG. 4 is a cross-sectional explanatory view taken along line IV-IV in FIG. 1 of the power generation unit. 前記発電ユニットを構成する第1金属セパレータの正面説明図である。It is front explanatory drawing of the 1st metal separator which comprises the said electric power generation unit. 前記第1金属セパレータの、図5中、VI−VI線断面図である。FIG. 6 is a cross-sectional view of the first metal separator taken along line VI-VI in FIG. 5. 前記発電ユニットを構成する第2金属セパレータの一方の面の説明図である。It is explanatory drawing of one surface of the 2nd metal separator which comprises the said electric power generation unit. 前記第2金属セパレータの他方の面の説明図である。It is explanatory drawing of the other surface of the said 2nd metal separator. 前記発電ユニットを構成する第3金属セパレータの一方の面の説明図である。It is explanatory drawing of one surface of the 3rd metal separator which comprises the said electric power generation unit. 前記第3金属セパレータの他方の面の説明図である。It is explanatory drawing of the other surface of the said 3rd metal separator. 前記発電ユニットを構成する第1電解質膜・電極構造体の一方の面の説明図である。It is explanatory drawing of one surface of the 1st electrolyte membrane and electrode structure which comprises the said electric power generation unit. 前記第1電解質膜・電極構造体の他方の面の説明図である。It is explanatory drawing of the other surface of the said 1st electrolyte membrane and electrode structure. 前記発電ユニットを構成する第2電解質膜・電極構造体の一方の面の説明図である。It is explanatory drawing of one surface of the 2nd electrolyte membrane and electrode structure which comprises the said electric power generation unit. 前記第2電解質膜・電極構造体の他方の面の説明図である。It is explanatory drawing of the other surface of the said 2nd electrolyte membrane and electrode structure. 本発明の第2の実施形態に係る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 fuel cell which concerns on the 2nd Embodiment of this invention. 前記発電ユニットの、図15中、XVI−XVI線断面図である。It is the XVI-XVI sectional view taken on the line of FIG. 15 of the said electric power generation unit. 本発明の第3の実施形態に係る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 exploded perspective explanatory view of the power generation unit which constitutes the fuel cell concerning a 3rd embodiment of the present invention. 前記発電ユニットの、図17中、XVIII−XVIII線断面図である。It is the XVIII-XVIII sectional view taken on the line of the said electric power generation unit in FIG. 特許文献1に開示されている燃料電池の断面説明図である。2 is a cross-sectional explanatory view of a fuel cell disclosed in Patent Document 1. FIG.

図1〜図4に示すように、本発明の第1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が水平方向(矢印A方向)又は鉛直方向(矢印C方向)に沿って互いに積層される。発電ユニット12は、第1金属セパレータ14、第1電解質膜・電極構造体16a、第2金属セパレータ18、第2電解質膜・電極構造体16b及び第3金属セパレータ20を設ける。第1金属セパレータ14、第1電解質膜・電極構造体16a、第2金属セパレータ18、第2電解質膜・電極構造体16b及び第3金属セパレータ20は、水平方向に沿って積層されるとともに、電極面が重力方向に沿った鉛直姿勢で且つ水平方向に長尺な横長形状を有する。   As shown in FIGS. 1 to 4, the fuel cell 10 according to the first embodiment of the present invention includes a power generation unit 12, and the plurality of power generation units 12 are arranged in a horizontal direction (arrow A direction) or a vertical direction (arrows). Are laminated together along the C direction). The power generation unit 12 includes a first metal separator 14, a first electrolyte membrane / electrode structure 16 a, a second metal separator 18, a second electrolyte membrane / electrode structure 16 b, and a third metal separator 20. The first metal separator 14, the first electrolyte membrane / electrode structure 16 a, the second metal separator 18, the second electrolyte membrane / electrode structure 16 b, and the third metal separator 20 are stacked along the horizontal direction, The surface is in a vertical posture along the direction of gravity and has a horizontally long shape that is long in the horizontal direction.

第1金属セパレータ14、第2金属セパレータ18及び第3金属セパレータ20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横長形状の金属板により構成される。第1金属セパレータ14、第2金属セパレータ18及び第3金属セパレータ20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。   The first metal separator 14, the second metal separator 18, and the third metal separator 20 are, for example, a steel plate, a stainless steel plate, an aluminum plate, a plated steel plate, or a horizontally long metal whose surface has been subjected to anticorrosion treatment. Consists of plates. The first metal separator 14, the second metal separator 18, and the third metal separator 20 have a rectangular planar shape, and are formed into a concavo-convex shape by pressing a metal thin plate into a wave shape.

図1に示すように、発電ユニット12の長辺方向(矢印B方向)の一端縁部には、具体的には、第1金属セパレータ14、第2金属セパレータ18及び第3金属セパレータ20の長辺方向の一端縁部には、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22a、及び燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出するための燃料ガス出口連通孔24bが設けられる。   As shown in FIG. 1, specifically, the length of the first metal separator 14, the second metal separator 18, and the third metal separator 20 is arranged at one end edge of the power generation unit 12 in the long side direction (arrow B direction). One end edge in the side direction communicates with each other in the direction of arrow A, and an oxidant gas inlet communication hole 22a for supplying an oxidant gas, for example, an oxygen-containing gas, and a fuel gas, for example, a hydrogen-containing gas. A fuel gas outlet communication hole 24b for discharging is provided.

発電ユニット12の長辺方向(矢印B方向)の他端縁部には、矢印A方向に互いに連通して、燃料ガスを供給するための燃料ガス入口連通孔24a、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22bが設けられる。   The other end edge of the power generation unit 12 in the long side direction (arrow B direction) communicates with each other in the arrow A direction, and discharges the fuel gas inlet communication hole 24a for supplying fuel gas and the oxidant gas. For this purpose, an oxidant gas outlet communication hole 22b is provided.

発電ユニット12の短辺方向(矢印C方向)の両端縁部には、酸化剤ガス入口連通孔22a側の一方に、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一対の冷却媒体入口連通孔25aが設けられる。発電ユニット12の短辺方向の両端縁部には、燃料ガス入口連通孔24a側の他方に、冷却媒体を排出するための一対の冷却媒体出口連通孔25bが設けられる。   A pair of cooling media for supplying a cooling medium in communication with each other in the direction of arrow A to one end of the power generation unit 12 in the short side direction (arrow C direction) on the oxidant gas inlet communication hole 22a side. An inlet communication hole 25a is provided. A pair of cooling medium outlet communication holes 25b for discharging the cooling medium is provided on the other end on the short side direction of the power generation unit 12 on the fuel gas inlet communication hole 24a side.

図5に示すように、第1金属セパレータ14の第1電解質膜・電極構造体16aに向かう面14aには、酸化剤ガス入口連通孔22aと酸化剤ガス出口連通孔22bとに連通する第1酸化剤ガス流路26が形成される。   As shown in FIG. 5, the surface 14a of the first metal separator 14 facing the first electrolyte membrane / electrode structure 16a is connected to the oxidant gas inlet communication hole 22a and the oxidant gas outlet communication hole 22b. An oxidant gas flow path 26 is formed.

第1酸化剤ガス流路26は、矢印B方向に延在する複数の波状流路溝部(又は直線状流路溝部)26aを有するとともに、前記第1酸化剤ガス流路26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エンボス部28a及び出口エンボス部28bが設けられる。   The first oxidant gas channel 26 has a plurality of wave-like channel grooves (or linear channel grooves) 26 a extending in the direction of arrow B, and the vicinity of the inlet and the outlet of the first oxidant gas channel 26. In the vicinity, an inlet embossed portion 28a and an outlet embossed portion 28b each having a plurality of embosses are provided.

入口エンボス部28aと酸化剤ガス入口連通孔22aとの間には、ブリッジ部を構成する複数本の入口連結溝30aが形成される一方、出口エンボス部28bと酸化剤ガス出口連通孔22bとの間には、ブリッジ部を構成する複数本の出口連結溝30bが形成される。   A plurality of inlet connection grooves 30a constituting a bridge portion are formed between the inlet embossed portion 28a and the oxidizing gas inlet communication hole 22a, while the outlet embossed portion 28b and the oxidizing gas outlet communication hole 22b A plurality of outlet connection grooves 30b constituting the bridge portion are formed therebetween.

第1酸化剤ガス流路26の重力方向下端には、前記第1酸化剤ガス流路26から生成水を重力方向下方に排出するための第1カソード排水通路32が設けられる。第1カソード排水通路32は、第1金属セパレータ14の面14a及び該面14aとは反対の面14bに交互にプレス成形される凹凸形状部34a、34bにより構成される複数の連結通路32aを有する。連結通路32aは、後述するように、第1酸化剤ガス流路26の酸化剤ガス流れ方向(矢印B1方向)に向かって段階的に通路断面積が小さくなるように構成される。   A first cathode drain passage 32 is provided at the lower end in the gravity direction of the first oxidant gas passage 26 to discharge generated water downward from the first oxidant gas passage 26 in the direction of gravity. The first cathode drainage passage 32 has a plurality of connection passages 32a configured by uneven portions 34a and 34b that are alternately press-formed on the surface 14a of the first metal separator 14 and the surface 14b opposite to the surface 14a. . As will be described later, the connecting passage 32a is configured such that the passage sectional area gradually decreases in the oxidant gas flow direction (arrow B1 direction) of the first oxidant gas flow channel 26.

凹凸形状部34aは、面14a側に膨出する突起形状(裏面からは窪み形状)を有する一方、凹凸形状部34bは、面14b側に膨出する突起形状(裏面からは窪み形状)を有する。各凹凸形状部34bは、同一の深さ寸法(矢印A方向の寸法)を有し、且つ、酸化剤ガス流れ方向(矢印B1方向)に向かって段階的に幅寸法(矢印B方向の寸法)が小さくなるように設定される(図6参照)。各凹凸形状部34aは、それぞれの幅寸法が酸化剤ガス流れ方向に向かって段階的に小さくなるように設定される。なお、各凹凸形状部34aは、それぞれの幅寸法が同一の寸法に設定されてもよい。   The concavo-convex shape portion 34a has a protrusion shape (dent shape from the back surface) that bulges to the surface 14a side, while the concavo-convex shape portion 34b has a protrusion shape (dent shape from the back surface) bulges to the surface 14b side. . Each concavo-convex shape portion 34b has the same depth dimension (dimension in the direction of arrow A), and width dimension (dimension in the direction of arrow B) stepwise in the oxidant gas flow direction (arrow B1 direction). Is set to be small (see FIG. 6). Each concavo-convex shape part 34a is set so that each width dimension becomes small in steps toward the oxidant gas flow direction. In addition, each uneven | corrugated shaped part 34a may set each width dimension to the same dimension.

連結通路32aは、酸化剤ガス流れ方向に向かって段階的に幅寸法(矢印B方向の寸法)が小さくなるように、すなわち、通路断面積が小さくなるように構成される。隣接する連結通路32a同士の間隔は、酸化剤ガス流れ方向に向かって小さくなるように(又は同一に)構成される。   The connecting passage 32a is configured such that the width dimension (dimension in the direction of arrow B) gradually decreases toward the oxidizing gas flow direction, that is, the passage cross-sectional area decreases. The interval between the adjacent connection passages 32a is configured to become smaller (or the same) in the oxidant gas flow direction.

図2に示すように、凹凸形状部34aは、後述する第1樹脂枠部材80に当接して第1カソード排水通路32を部分的に閉塞する。図5に示すように、第1カソード排水通路32の下方には、矢印B方向に延在する排水用流路36が設けられる。排水用流路36は、第1酸化剤ガス流路26の1本当たりの圧力損失よりも大きな圧力損失に設定されており、酸化剤ガス出口連通孔22bに連通する。連結通路32aは、凹凸形状部34a間、すなわち、凹凸形状部34bに沿って設けられており、第1酸化剤ガス流路26の重力方向最下端と排水用流路36とを連通する。   As shown in FIG. 2, the concavo-convex portion 34 a abuts on a first resin frame member 80 described later and partially closes the first cathode drain passage 32. As shown in FIG. 5, a drainage flow channel 36 extending in the direction of arrow B is provided below the first cathode drainage passage 32. The drainage channel 36 is set to a pressure loss larger than the pressure loss per one of the first oxidant gas channels 26 and communicates with the oxidant gas outlet communication hole 22b. The connecting passages 32a are provided between the concavo-convex portions 34a, that is, along the concavo-convex portions 34b, and communicate the lowermost gravity direction lower end of the first oxidant gas passage 26 and the drainage passage 36.

図1に示すように、第1金属セパレータ14の面14bには、冷却媒体入口連通孔25aと冷却媒体出口連通孔25bとを連通する冷却媒体流路38が形成される。冷却媒体流路38は、第1酸化剤ガス流路26の裏面形状と後述する第2燃料ガス流路58の裏面形状とが重なり合って形成される。   As shown in FIG. 1, a cooling medium flow path 38 that connects the cooling medium inlet communication hole 25 a and the cooling medium outlet communication hole 25 b is formed on the surface 14 b of the first metal separator 14. The cooling medium channel 38 is formed by overlapping the back surface shape of the first oxidant gas channel 26 and the back surface shape of the second fuel gas channel 58 described later.

図7に示すように、第2金属セパレータ18の第1電解質膜・電極構造体16aに向かう面18aには、燃料ガス入口連通孔24aと燃料ガス出口連通孔24bとを連通する第1燃料ガス流路40が形成される。第1燃料ガス流路40は、矢印B方向に延在する複数の波状流路溝部(又は直線状流路溝部)40aを有する。燃料ガス入口連通孔24aの近傍には、複数の供給孔部42aが形成されるとともに、燃料ガス出口連通孔24bの近傍には、複数の排出孔部42bが形成される。   As shown in FIG. 7, the first fuel gas that communicates the fuel gas inlet communication hole 24a and the fuel gas outlet communication hole 24b to the surface 18a of the second metal separator 18 facing the first electrolyte membrane / electrode structure 16a. A flow path 40 is formed. The first fuel gas channel 40 has a plurality of wave-like channel grooves (or linear channel grooves) 40a extending in the direction of arrow B. A plurality of supply holes 42a are formed in the vicinity of the fuel gas inlet communication hole 24a, and a plurality of discharge holes 42b are formed in the vicinity of the fuel gas outlet communication hole 24b.

第1燃料ガス流路40の重力方向下端には、前記第1燃料ガス流路40から生成水(逆拡散水)を重力方向下方に排出するための第1アノード排水通路44が設けられる。第1アノード排水通路44は、第2金属セパレータ18の面18a及び該面18aとは反対の面18bに交互にプレス成形される凹凸形状部46a、46bにより構成される複数の連結通路44aを有する。連結通路44aは、後述するように、第1燃料ガス流路40の燃料ガス流れ方向(矢印B2方向)に向かって段階的に通路断面積が大きくなるように構成される。   A first anode drainage passage 44 for discharging generated water (back diffusion water) from the first fuel gas passage 40 downward in the gravity direction is provided at the lower end of the first fuel gas passage 40 in the gravity direction. The first anode drainage passage 44 has a plurality of connection passages 44a constituted by concave and convex portions 46a and 46b that are alternately press-formed on the surface 18a of the second metal separator 18 and the surface 18b opposite to the surface 18a. . As will be described later, the connecting passage 44a is configured such that the passage sectional area gradually increases in the fuel gas flow direction (the direction of arrow B2) of the first fuel gas passage 40.

凹凸形状部46aは、面18a側に膨出する突起形状(裏面からは窪み形状)を有する一方、凹凸形状部46bは、面18b側に膨出する突起形状(裏面からは窪み形状)を有する。各凹凸形状部46bは、同一の深さ寸法(矢印A方向の寸法)を有し、且つ、燃料ガス流れ方向に向かって段階的に幅寸法(矢印B方向の寸法)が大きくなるように(又は同一寸法に)設定される。各凹凸形状部46aは、それぞれの幅寸法が燃料ガス流れ方向(矢印B2方向)に向かって段階的に大きくなるように設定される。   The concavo-convex shape portion 46a has a protrusion shape bulging toward the surface 18a (a concave shape from the back surface), while the concavo-convex shape portion 46b has a protrusion shape bulging toward the surface 18b (a dent shape from the back surface). . Each concavo-convex portion 46b has the same depth dimension (dimension in the direction of arrow A), and the width dimension (dimension in the direction of arrow B) increases stepwise toward the fuel gas flow direction ( (Or the same dimensions). Each concavo-convex shape part 46a is set so that each width dimension becomes large in steps toward the fuel gas flow direction (arrow B2 direction).

凹凸形状部46aは、図2に示すように、後述する第1電解質膜・電極構造体16aのアノード電極78に当接して第1アノード排水通路44を部分的に閉塞する。図7に示すように、第1アノード排水通路44の下方には、矢印B方向に延在する排水用流路48が設けられる。排水用流路48は、第1燃料ガス流路40の1本当たりの圧力損失よりも大きな圧力損失に設定されており、排出孔部42bに連通する。連結通路44aは、凹凸形状部46a間、すなわち、凹凸形状部46bに沿って設けられており、第1燃料ガス流路40の重力方向最下端と排水用流路48とを連通する。   As shown in FIG. 2, the concavo-convex portion 46 a abuts on an anode electrode 78 of a first electrolyte membrane / electrode structure 16 a described later to partially close the first anode drainage passage 44. As shown in FIG. 7, a drainage flow path 48 extending in the direction of arrow B is provided below the first anode drainage passage 44. The drainage channel 48 is set to a pressure loss larger than the pressure loss per one of the first fuel gas channels 40, and communicates with the discharge hole 42b. The connection passage 44 a is provided between the uneven portions 46 a, that is, along the uneven portion 46 b, and communicates the lowest end in the gravity direction of the first fuel gas passage 40 and the drainage passage 48.

図8に示すように、第2金属セパレータ18の第2電解質膜・電極構造体16bに向かう面18bには、酸化剤ガス入口連通孔22aと酸化剤ガス出口連通孔22bとを連通する第2酸化剤ガス流路50が形成される。第2酸化剤ガス流路50は、矢印B方向に延在する複数の波状流路溝部(又は直線状流路溝部)50aを有する。酸化剤ガス入口連通孔22aの近傍には、複数本の入口連結溝52aが形成される一方、酸化剤ガス出口連通孔22bの近傍には、複数本の出口連結溝52bが形成される。   As shown in FIG. 8, the surface 18b of the second metal separator 18 facing the second electrolyte membrane / electrode structure 16b communicates with the oxidant gas inlet communication hole 22a and the oxidant gas outlet communication hole 22b. An oxidant gas flow path 50 is formed. The second oxidizing gas channel 50 has a plurality of wave-like channel grooves (or linear channel grooves) 50a extending in the direction of arrow B. A plurality of inlet connection grooves 52a are formed in the vicinity of the oxidant gas inlet communication hole 22a, while a plurality of outlet connection grooves 52b are formed in the vicinity of the oxidant gas outlet communication hole 22b.

第2酸化剤ガス流路50の重力方向下端には、前記第2酸化剤ガス流路50から生成水を重力方向下方に排出するための第2カソード排水通路54が設けられる。第2カソード排水通路54は、第1アノード排水通路44の裏面形状である凹凸形状部46a、46bにより構成される複数の連結通路54aを有する。連結通路54aは、後述するように、第2酸化剤ガス流路50の酸化剤ガス流れ方向(矢印B1方向)に向かって段階的に通路断面積が小さくなるように構成される。   A second cathode drain passage 54 for discharging generated water from the second oxidant gas flow channel 50 downward in the gravity direction is provided at the lower end of the second oxidant gas flow channel 50 in the gravity direction. The second cathode drainage passage 54 has a plurality of connection passages 54 a configured by uneven portions 46 a and 46 b that are the back surface shape of the first anode drainage passage 44. As will be described later, the connecting passage 54a is configured such that the passage sectional area gradually decreases in the oxidant gas flow direction (arrow B1 direction) of the second oxidant gas flow path 50.

各凹凸形状部46aは、同一の深さ寸法(矢印A方向の寸法)を有し、且つ、酸化剤ガス流れ方向に向かって段階的に幅寸法(矢印B方向の寸法)が小さくなるように設定される。連結通路54aは、酸化剤ガス流れ方向に向かって段階的に幅寸法(矢印B方向の寸法)が小さくなるように、すなわち、通路断面積が小さくなるように構成される。隣接する連結通路54a同士の間隔は、酸化剤ガス流れ方向に向かって小さくなるように(又は同一に)構成される。   Each concavo-convex shape portion 46a has the same depth dimension (dimension in the direction of arrow A), and the width dimension (dimension in the direction of arrow B) decreases stepwise toward the oxidant gas flow direction. Is set. The connecting passage 54a is configured such that the width dimension (dimension in the direction of arrow B) decreases stepwise in the oxidant gas flow direction, that is, the passage cross-sectional area decreases. The interval between the adjacent connection passages 54a is configured to become smaller (or the same) in the oxidant gas flow direction.

図2に示すように、凹凸形状部46bは、後述する第2樹脂枠部材82に当接して第2カソード排水通路54を部分的に閉塞する。図8に示すように、第2カソード排水通路54の下方には、矢印B方向に延在する排水用流路56が設けられる。排水用流路56は、酸化剤ガス出口連通孔22bに連通する。連結通路54aは、凹凸形状部46b間、すなわち、凹凸形状部46aに沿って設けられており、第2酸化剤ガス流路50の重力方向最下端と排水用流路56とを連通する。   As shown in FIG. 2, the concavo-convex portion 46 b abuts on a second resin frame member 82 described later and partially closes the second cathode drain passage 54. As shown in FIG. 8, a drainage flow path 56 extending in the direction of arrow B is provided below the second cathode drainage passage 54. The drainage flow path 56 communicates with the oxidant gas outlet communication hole 22b. The connection passage 54 a is provided between the uneven shape portions 46 b, that is, along the uneven shape portion 46 a, and communicates the bottom end in the gravity direction of the second oxidant gas flow channel 50 and the drainage flow channel 56.

図9に示すように、第3金属セパレータ20の第2電解質膜・電極構造体16bに向かう面20aには、燃料ガス入口連通孔24aと燃料ガス出口連通孔24bに連通する第2燃料ガス流路58が形成される。第2燃料ガス流路58は、矢印B方向に延在する複数の波状流路溝部(又は直線状流路溝部)58aを有する。   As shown in FIG. 9, the second fuel gas flow communicating with the fuel gas inlet communication hole 24a and the fuel gas outlet communication hole 24b is formed on the surface 20a of the third metal separator 20 facing the second electrolyte membrane / electrode structure 16b. A path 58 is formed. The second fuel gas channel 58 has a plurality of wave-like channel grooves (or linear channel grooves) 58a extending in the direction of arrow B.

燃料ガス入口連通孔24aの近傍には、複数の供給孔部60aが形成されるとともに、燃料ガス出口連通孔24bの近傍には、複数の排出孔部60bが形成される。図1及び図3に示すように、供給孔部60aは、第2金属セパレータ18の供給孔部42aよりも内側(燃料ガス流路側)に配置される一方、排出孔部60bは、前記第2金属セパレータ18の排出孔部42bよりも内側(燃料ガス流路側)に配置される。   A plurality of supply holes 60a are formed in the vicinity of the fuel gas inlet communication hole 24a, and a plurality of discharge holes 60b are formed in the vicinity of the fuel gas outlet communication hole 24b. As shown in FIGS. 1 and 3, the supply hole 60 a is disposed on the inner side (fuel gas flow path side) of the second metal separator 18 than the supply hole 42 a, while the discharge hole 60 b It arrange | positions inside the discharge hole part 42b of the metal separator 18 (fuel gas flow path side).

図9に示すように、第2燃料ガス流路58の重力方向下端には、前記第2燃料ガス流路58から生成水(逆拡散水)を重力方向下方に排出するための第2アノード排水通路62が設けられる。第2アノード排水通路62は、第3金属セパレータ20の面20a及び該面20aとは反対の面20bに交互にプレス成形される凹凸形状部64a、64bにより構成される複数の連結通路62aを有する。連結通路62aは、後述するように、第2燃料ガス流路58の燃料ガス流れ方向(矢印B2方向)に向かって段階的に通路断面積が大きくなるように構成される。   As shown in FIG. 9, at the lower end in the gravity direction of the second fuel gas passage 58, a second anode drain for discharging generated water (back diffusion water) downward from the second fuel gas passage 58 in the gravity direction. A passage 62 is provided. The second anode drainage passage 62 has a plurality of connection passages 62a configured by concave and convex portions 64a and 64b that are alternately press-formed on the surface 20a of the third metal separator 20 and the surface 20b opposite to the surface 20a. . As will be described later, the connection passage 62a is configured such that the passage cross-sectional area gradually increases in the fuel gas flow direction (arrow B2 direction) of the second fuel gas passage 58.

凹凸形状部64aは、面20a側に膨出する突起形状(裏面からは窪み形状)を有する一方、凹凸形状部64bは、面20b側に膨出する突起形状(裏面からは窪み形状)を有する。各凹凸形状部64bは、同一の深さ寸法(矢印A方向の寸法)を有し、且つ、燃料ガス流れ方向に向かって段階的に幅寸法(矢印B方向の寸法)が大きくなるように(又は同一寸法に)設定される。各凹凸形状部64aは、それぞれの幅寸法が燃料ガス流れ方向(矢印B2方向)に向かって段階的に大きくなるように設定される。   The concavo-convex shape portion 64a has a protrusion shape (dent shape from the back surface) that bulges to the surface 20a side, while the concavo-convex shape portion 64b has a protrusion shape (dent shape from the back surface) bulges to the surface 20b side. . Each concavo-convex shape portion 64b has the same depth dimension (dimension in the direction of arrow A), and the width dimension (dimension in the direction of arrow B) increases stepwise toward the fuel gas flow direction ( (Or the same dimensions). Each concavo-convex shape portion 64a is set such that the width dimension thereof increases stepwise in the fuel gas flow direction (arrow B2 direction).

図2に示すように、凹凸形状部64aは、後述する第2電解質膜・電極構造体16bのアノード電極78に当接して第2アノード排水通路62を部分的に閉塞する。図9に示すように、第2アノード排水通路62の下方には、矢印B方向に延在する排水用流路66が設けられる。排水用流路66は、第2燃料ガス流路58の1本当たりの圧力損失よりも大きな圧力損失に設定されており、排出孔部60bに連通する。連結通路62aは、凹凸形状部64a間、すなわち、凹凸形状部64bに沿って設けられており、第2燃料ガス流路58の重力方向最下端と排水用流路66とを連通する。   As shown in FIG. 2, the concavo-convex shape portion 64a abuts on an anode electrode 78 of a second electrolyte membrane / electrode structure 16b described later to partially close the second anode drainage passage 62. As shown in FIG. 9, a drainage channel 66 extending in the direction of arrow B is provided below the second anode drainage passage 62. The drainage channel 66 is set to a pressure loss larger than the pressure loss per one of the second fuel gas channels 58, and communicates with the discharge hole 60b. The connecting passage 62a is provided between the concave and convex portions 64a, that is, along the concave and convex portion 64b, and communicates the lower end in the gravity direction of the second fuel gas passage 58 and the drainage passage 66.

図10に示すように、第3金属セパレータ20の面20bには、第2燃料ガス流路58の裏面形状である冷却媒体流路38の一部が形成される。第3金属セパレータ20の面20bには、前記第3金属セパレータ20に隣接する第1金属セパレータ14の面14bが積層されることにより、冷却媒体流路38が一体に設けられる。冷却媒体流路38の重力方向下端には、第2アノード排水通路62の裏面形状である凹凸形状部64a、64bが設けられる。   As shown in FIG. 10, a part of the cooling medium flow path 38 that is the back surface shape of the second fuel gas flow path 58 is formed on the surface 20 b of the third metal separator 20. A cooling medium flow path 38 is integrally provided on the surface 20 b of the third metal separator 20 by laminating the surface 14 b of the first metal separator 14 adjacent to the third metal separator 20. At the lower end in the gravity direction of the cooling medium flow path 38, concave and convex portions 64a and 64b that are the back surface shape of the second anode drainage passage 62 are provided.

図1に示すように、第1金属セパレータ14の面14a、14bには、この第1金属セパレータ14の外周端縁部を周回して第1シール部材68が一体成形される。第2金属セパレータ18の面18a、18bには、この第2金属セパレータ18の外周端縁部を周回して第2シール部材70が一体成形されるとともに、第3金属セパレータ20の面20a、20bには、この第3金属セパレータ20の外周端縁部を周回して第3シール部材72が一体成形される。   As shown in FIG. 1, the first seal member 68 is integrally formed on the surfaces 14 a and 14 b of the first metal separator 14 around the outer peripheral edge of the first metal separator 14. A second seal member 70 is integrally formed around the outer peripheral edge of the second metal separator 18 on the surfaces 18a and 18b of the second metal separator 18, and the surfaces 20a and 20b of the third metal separator 20 are integrally formed. The third seal member 72 is integrally formed around the outer peripheral edge of the third metal separator 20.

第1シール部材68、第2シール部材70及び第3シール部材72としては、例えば、EPDM、NBR、フッ素ゴム、シリコーンゴム、フロロシリコーンゴム、ブチルゴム、天然ゴム、スチレンゴム、クロロプレーン又はアクリルゴム等のシール材、クッション材、あるいはパッキン材等の弾性を有するシール材が用いられる。   Examples of the first seal member 68, the second seal member 70, and the third seal member 72 include EPDM, NBR, fluororubber, silicone rubber, fluorosilicone rubber, butyl rubber, natural rubber, styrene rubber, chloroprene, or acrylic rubber. A sealing material having elasticity such as a sealing material, a cushioning material, or a packing material is used.

図5に示すように、第1シール部材68は、第1金属セパレータ14の面14aにおいて、酸化剤ガス入口連通孔22a及び酸化剤ガス出口連通孔22bと、第1酸化剤ガス流路26との外周を連通する第1凸状シール部68aを有する。第1シール部材68は、図1に示すように、第1金属セパレータ14の面14bにおいて、冷却媒体入口連通孔25a及び冷却媒体出口連通孔25bと冷却媒体流路38とを連通する第2凸状シール部68bを有する。   As shown in FIG. 5, the first seal member 68 includes an oxidant gas inlet communication hole 22 a and an oxidant gas outlet communication hole 22 b on the surface 14 a of the first metal separator 14, and the first oxidant gas flow path 26. A first convex seal portion 68a communicating with the outer periphery of the first convex seal portion 68a. As shown in FIG. 1, the first seal member 68 has a second protrusion that communicates the cooling medium inlet communication hole 25 a and the cooling medium outlet communication hole 25 b with the cooling medium flow path 38 on the surface 14 b of the first metal separator 14. The seal portion 68b is provided.

図7に示すように、第2シール部材70は、第2金属セパレータ18の面18aにおいて、供給孔部42a及び排出孔部42bと、第1燃料ガス流路40とを囲繞してこれらを連通させる第1凸状シール部70aを有する。   As shown in FIG. 7, the second seal member 70 surrounds the supply hole portion 42 a and the discharge hole portion 42 b and the first fuel gas flow path 40 on the surface 18 a of the second metal separator 18 and communicates them. The first convex seal portion 70a is provided.

図8に示すように、第2シール部材70は、面18bにおいて、酸化剤ガス入口連通孔22a及び酸化剤ガス出口連通孔22bと、第2酸化剤ガス流路50との外周を連通する第2凸状シール部70bを有する。   As shown in FIG. 8, the second seal member 70 communicates the outer periphery of the oxidant gas inlet communication hole 22 a and the oxidant gas outlet communication hole 22 b with the second oxidant gas flow path 50 on the surface 18 b. It has two convex seal parts 70b.

図9に示すように、第3シール部材72は、第3金属セパレータ20の面20aにおいて、供給孔部60a及び排出孔部60bと、第2燃料ガス流路58とを囲繞してこれらを連通する第1凸状シール部72aを有する。   As shown in FIG. 9, the third seal member 72 surrounds the supply hole portion 60 a and the discharge hole portion 60 b and the second fuel gas channel 58 on the surface 20 a of the third metal separator 20, and communicates these. A first convex seal portion 72a.

図10に示すように、第3シール部材72は、第3金属セパレータ20の面20bにおいて、冷却媒体入口連通孔25a及び冷却媒体出口連通孔25bと冷却媒体流路38とを連通する第2凸状シール部72bを有する。   As shown in FIG. 10, the third seal member 72 is a second protrusion that communicates the cooling medium inlet communication hole 25 a and the cooling medium outlet communication hole 25 b with the cooling medium flow path 38 on the surface 20 b of the third metal separator 20. The seal portion 72b is provided.

図2に示すように、第1電解質膜・電極構造体16a及び第2電解質膜・電極構造体16b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74と、前記固体高分子電解質膜74を挟持するカソード電極76及びアノード電極78とを備える。カソード電極76は、アノード電極78及び固体高分子電解質膜74の表面積よりも小さな表面積を有する段差型MEAを構成している。なお、カソード電極76、アノード電極78及び固体高分子電解質膜74は、同一の表面積に設定してもよく、前記アノード電極78は、前記カソード電極76及び固体高分子電解質膜74の表面積よりも小さな表面積を有していてもよい。   As shown in FIG. 2, the first electrolyte membrane / electrode structure 16a and the second electrolyte membrane / electrode structure 16b include, for example, a solid polymer electrolyte membrane 74 in which a perfluorosulfonic acid thin film is impregnated with water, A cathode electrode 76 and an anode electrode 78 sandwiching the solid polymer electrolyte membrane 74 are provided. The cathode electrode 76 constitutes a stepped MEA having a surface area smaller than that of the anode electrode 78 and the solid polymer electrolyte membrane 74. The cathode electrode 76, the anode electrode 78, and the solid polymer electrolyte membrane 74 may be set to the same surface area, and the anode electrode 78 is smaller than the surface area of the cathode electrode 76 and the solid polymer electrolyte membrane 74. It may have a surface area.

カソード電極76及びアノード電極78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74の両面に形成される。   The cathode electrode 76 and the anode electrode 78 have a gas diffusion layer (not shown) made of carbon paper or the like, and porous carbon particles having a platinum alloy supported on the surface are uniformly applied to the surface of the gas diffusion layer. And an electrode catalyst layer (not shown) to be formed. The electrode catalyst layers are formed on both surfaces of the solid polymer electrolyte membrane 74.

第1電解質膜・電極構造体16aは、カソード電極76の終端部外方に位置して固体高分子電解質膜74の外周縁部に第1樹脂枠部材80が、例えば、射出成形等により一体成形される。第2電解質膜・電極構造体16bは、カソード電極76の終端部外方に位置して固体高分子電解質膜74の外周縁部に第2樹脂枠部材82が、例えば、射出成形等により一体成形される。第1樹脂枠部材80及び第2樹脂枠部材82を構成する樹脂材としては、例えば、汎用プラスチックの他、エンジニアリングプラスチックやスーパーエンジニアリングプラスチック等が採用される。   The first electrolyte membrane / electrode structure 16a is located outside the terminal portion of the cathode electrode 76, and the first resin frame member 80 is integrally formed on the outer peripheral edge of the solid polymer electrolyte membrane 74 by, for example, injection molding or the like. Is done. The second electrolyte membrane / electrode structure 16b is located outside the terminal portion of the cathode electrode 76, and the second resin frame member 82 is integrally formed on the outer peripheral edge of the solid polymer electrolyte membrane 74 by, for example, injection molding or the like. Is done. As a resin material constituting the first resin frame member 80 and the second resin frame member 82, for example, engineering plastics, super engineering plastics, etc. are adopted in addition to general-purpose plastics.

図11及び図12に示すように、第1樹脂枠部材80は、長手方向(矢印B方向)両端部に、酸化剤ガス入口連通孔22a及び酸化剤ガス出口連通孔22bに向かって膨出する突出部80a、80bと、燃料ガス入口連通孔24a及び燃料ガス出口連通孔24bに向かって膨出する突出部80c、80dとを有する。   As shown in FIGS. 11 and 12, the first resin frame member 80 bulges toward the oxidant gas inlet communication hole 22a and the oxidant gas outlet communication hole 22b at both ends in the longitudinal direction (arrow B direction). Protrusions 80a and 80b and projecting parts 80c and 80d that bulge toward the fuel gas inlet communication hole 24a and the fuel gas outlet communication hole 24b.

第1樹脂枠部材80のカソード電極76側の面には、図11に示すように、酸化剤ガス入口連通孔22aと第1酸化剤ガス流路26の入口側との間に位置して入口バッファ部84aが設けられるとともに、酸化剤ガス出口連通孔22bと前記第1酸化剤ガス流路26の出口側との間に位置して、出口バッファ部84bが設けられる。   The surface of the first resin frame member 80 on the cathode electrode 76 side is located between the oxidant gas inlet communication hole 22a and the inlet side of the first oxidant gas flow channel 26, as shown in FIG. A buffer portion 84 a is provided, and an outlet buffer portion 84 b is provided between the oxidant gas outlet communication hole 22 b and the outlet side of the first oxidant gas flow channel 26.

図12に示すように、第1樹脂枠部材80のアノード電極78側の面には、燃料ガス入口連通孔24aと第1燃料ガス流路40との間に位置して入口バッファ部86aが設けられるとともに、燃料ガス出口連通孔24bと前記第1燃料ガス流路40との間に位置して、出口バッファ部86bが設けられる。   As shown in FIG. 12, the surface of the first resin frame member 80 on the anode electrode 78 side is provided with an inlet buffer portion 86a located between the fuel gas inlet communication hole 24a and the first fuel gas flow path 40. In addition, an outlet buffer portion 86b is provided between the fuel gas outlet communication hole 24b and the first fuel gas flow path 40.

図13及び図14に示すように、第2電解質膜・電極構造体16bに設けられる第2樹脂枠部材82は、酸化剤ガス入口連通孔22a、酸化剤ガス出口連通孔22b、燃料ガス入口連通孔24a及び燃料ガス出口連通孔24bに向かってそれぞれ膨出する突出部82a、82b、82c及び82dを有する。   As shown in FIGS. 13 and 14, the second resin frame member 82 provided in the second electrolyte membrane / electrode structure 16b includes an oxidant gas inlet communication hole 22a, an oxidant gas outlet communication hole 22b, and a fuel gas inlet communication. Projections 82a, 82b, 82c, and 82d that bulge toward the hole 24a and the fuel gas outlet communication hole 24b are provided.

第2樹脂枠部材82のカソード電極76側の面には、図13に示すように、酸化剤ガス入口連通孔22aと第2酸化剤ガス流路50との間に位置して入口バッファ部88aが設けられるとともに、酸化剤ガス出口連通孔22bと前記第2酸化剤ガス流路50との間に位置して出口バッファ部88bが形成される。   As shown in FIG. 13, the surface of the second resin frame member 82 on the cathode electrode 76 side is located between the oxidant gas inlet communication hole 22a and the second oxidant gas flow path 50, and an inlet buffer 88a. Is provided, and an outlet buffer portion 88b is formed between the oxidant gas outlet communication hole 22b and the second oxidant gas flow path 50.

第2樹脂枠部材82のアノード電極78側の面には、図14に示すように、燃料ガス入口連通孔24aと第2燃料ガス流路58との間に位置して入口バッファ部90aが設けられるとともに、燃料ガス出口連通孔24bと前記第2燃料ガス流路58との間に位置して出口バッファ部90bが設けられる。   On the surface of the second resin frame member 82 on the anode electrode 78 side, as shown in FIG. 14, an inlet buffer portion 90a is provided between the fuel gas inlet communication hole 24a and the second fuel gas flow path 58. In addition, an outlet buffer portion 90b is provided between the fuel gas outlet communication hole 24b and the second fuel gas flow path 58.

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金属セパレータ14と、他方の発電ユニット12を構成する第3金属セパレータ20との間には、冷却媒体流路38が形成される。   When the power generation units 12 are stacked on each other, a cooling medium flow path is provided between the first metal separator 14 constituting one power generation unit 12 and the third metal separator 20 constituting the other power generation unit 12. 38 is formed.

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、酸化剤ガス入口連通孔22aに酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス入口連通孔24aに水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、冷却媒体入口連通孔25aに純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体が供給される。   First, as shown in FIG. 1, an oxidant gas such as an oxygen-containing gas is supplied to the oxidant gas inlet communication hole 22a, and a fuel gas such as a hydrogen-containing gas is supplied to the fuel gas inlet communication hole 24a. Further, a cooling medium such as pure water, ethylene glycol, or oil is supplied to the cooling medium inlet communication hole 25a.

このため、酸化剤ガスは、図4に示すように、酸化剤ガス入口連通孔22aから入口バッファ部84aを通って第1金属セパレータ14の第1酸化剤ガス流路26に供給される。酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔22aから入口バッファ部88aを通って第2金属セパレータ18の第2酸化剤ガス流路50に導入される。   Therefore, as shown in FIG. 4, the oxidant gas is supplied from the oxidant gas inlet communication hole 22a to the first oxidant gas flow path 26 of the first metal separator 14 through the inlet buffer portion 84a. The oxidant gas is introduced into the second oxidant gas flow path 50 of the second metal separator 18 from the oxidant gas inlet communication hole 22a through the inlet buffer portion 88a.

酸化剤ガスは、図1、図5及び図8に示すように、第1酸化剤ガス流路26に沿って矢印B方向(水平方向)に移動し、第1電解質膜・電極構造体16aのカソード電極76に供給されるとともに、第2酸化剤ガス流路50に沿って矢印B方向に移動し、第2電解質膜・電極構造体16bのカソード電極76に供給される。   As shown in FIGS. 1, 5 and 8, the oxidant gas moves in the direction of arrow B (horizontal direction) along the first oxidant gas flow path 26, and the first electrolyte membrane / electrode structure 16a is moved. In addition to being supplied to the cathode electrode 76, it moves in the direction of arrow B along the second oxidant gas flow path 50, and is supplied to the cathode electrode 76 of the second electrolyte membrane / electrode structure 16b.

一方、燃料ガスは、図3に示すように、燃料ガス入口連通孔24aから供給孔部42aを通って入口バッファ部86aに供給される。燃料ガスは、入口バッファ部86aを通って第2金属セパレータ18の第1燃料ガス流路40に供給される。燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔24aから供給孔部60aを通って入口バッファ部90aに供給される。燃料ガスは、入口バッファ部90aを通って第3金属セパレータ20の第2燃料ガス流路58に供給される。   On the other hand, as shown in FIG. 3, the fuel gas is supplied from the fuel gas inlet communication hole 24a to the inlet buffer part 86a through the supply hole part 42a. The fuel gas is supplied to the first fuel gas channel 40 of the second metal separator 18 through the inlet buffer portion 86a. The fuel gas is supplied from the fuel gas inlet communication hole 24a through the supply hole 60a to the inlet buffer 90a. The fuel gas is supplied to the second fuel gas channel 58 of the third metal separator 20 through the inlet buffer unit 90a.

燃料ガスは、図1、図7及び図9に示すように、第1燃料ガス流路40に沿って矢印B方向に移動し、第1電解質膜・電極構造体16aのアノード電極78に供給されるとともに、第2燃料ガス流路58に沿って矢印B方向に移動し、第2電解質膜・電極構造体16bのアノード電極78に供給される。   As shown in FIGS. 1, 7, and 9, the fuel gas moves in the direction of arrow B along the first fuel gas flow path 40 and is supplied to the anode electrode 78 of the first electrolyte membrane / electrode structure 16a. At the same time, it moves in the direction of arrow B along the second fuel gas flow path 58 and is supplied to the anode electrode 78 of the second electrolyte membrane / electrode structure 16b.

従って、第1電解質膜・電極構造体16a及び第2電解質膜・電極構造体16bでは、各カソード電極76に供給される酸化剤ガスと、各アノード電極78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 first electrolyte membrane / electrode structure 16a and the second electrolyte membrane / electrode structure 16b, the oxidizing gas supplied to each cathode electrode 76 and the fuel gas supplied to each anode electrode 78 are electrodes. Electricity is generated by being consumed by an electrochemical reaction in the catalyst layer.

次いで、第1電解質膜・電極構造体16a及び第2電解質膜・電極構造体16bの各カソード電極76に供給されて消費された酸化剤ガスは、出口バッファ部84b、88bから酸化剤ガス出口連通孔22bに排出される(図1参照)。   Next, the oxidant gas supplied to and consumed by the cathode electrodes 76 of the first electrolyte membrane / electrode structure 16a and the second electrolyte membrane / electrode structure 16b is communicated with the oxidant gas outlet from the outlet buffer portions 84b and 88b. It is discharged into the hole 22b (see FIG. 1).

第1電解質膜・電極構造体16a及び第2電解質膜・電極構造体16bのアノード電極78に供給されて消費された燃料ガスは、出口バッファ部86b、90bから排出孔部42b、60bを通って燃料ガス出口連通孔24bに排出される。   The fuel gas consumed by being supplied to the anode electrode 78 of the first electrolyte membrane / electrode structure 16a and the second electrolyte membrane / electrode structure 16b passes through the discharge holes 42b, 60b from the outlet buffer portions 86b, 90b. It is discharged into the fuel gas outlet communication hole 24b.

一方、左右一対の冷却媒体入口連通孔25aに供給された冷却媒体は、図1に示すように、各冷却媒体入口連通孔25aから冷却媒体流路38に供給される。冷却媒体は、一旦矢印C方向内方に沿って流動した後、矢印B方向に移動して第1電解質膜・電極構造体16a及び第2電解質膜・電極構造体16bを冷却する。この冷却媒体は、矢印C方向外方に移動した後、一対の冷却媒体出口連通孔25bに排出される。   On the other hand, the cooling medium supplied to the pair of left and right cooling medium inlet communication holes 25a is supplied to the cooling medium flow path 38 from each cooling medium inlet communication hole 25a, as shown in FIG. The cooling medium once flows in the direction of the arrow C and then moves in the direction of the arrow B to cool the first electrolyte membrane / electrode structure 16a and the second electrolyte membrane / electrode structure 16b. This cooling medium moves outward in the direction of arrow C, and is then discharged into the pair of cooling medium outlet communication holes 25b.

上記のように、燃料電池10内の各発電ユニット12が発電されると、発電反応により第1酸化剤ガス流路26及び第2酸化剤ガス流路50に生成水が発生する。例えば、第1酸化剤ガス流路26は、水平方向に長尺に形成されており、生成水は、前記第1酸化剤ガス流路26の途上から重力下方向に移動して発電面の重力方向下方に滞留し易い。   As described above, when each power generation unit 12 in the fuel cell 10 generates power, generated water is generated in the first oxidant gas channel 26 and the second oxidant gas channel 50 by a power generation reaction. For example, the first oxidant gas flow path 26 is formed in a long length in the horizontal direction, and the generated water moves from the middle of the first oxidant gas flow path 26 in the downward direction of gravity to generate gravity on the power generation surface. It tends to stay in the lower direction.

この場合、第1の実施形態では、図2及び図5に示すように、第1金属セパレータ14の面14aには、第1酸化剤ガス流路26の重力方向下端に、前記第1酸化剤ガス流路26から生成水を重力方向下方に排出するための第1カソード排水通路32が設けられている。   In this case, in the first embodiment, as shown in FIGS. 2 and 5, the surface 14 a of the first metal separator 14 has the first oxidant gas channel 26 at the lower end in the gravitational direction. A first cathode drain passage 32 for discharging the generated water from the gas flow path 26 downward in the direction of gravity is provided.

第1カソード排水通路32は、凹凸形状部34a間に凹凸形状部34bに沿って設けられ、第1酸化剤ガス流路26の重力方向最下端と排水用流路36とを連通する複数の連結通路32aを有している。このため、第1酸化剤ガス流路26の重力方向下方に移動した水は、連結通路32aから排水用流路36に排出されている。   The first cathode drainage passage 32 is provided between the concavo-convex portions 34 a along the concavo-convex portions 34 b, and has a plurality of connections that communicates the lowermost gravity direction lower end of the first oxidant gas passage 26 and the drainage passage 36. A passage 32a is provided. For this reason, the water that has moved downward in the direction of gravity of the first oxidant gas flow path 26 is discharged from the connection passage 32 a to the drainage flow path 36.

その際、第1酸化剤ガス流路26の酸化剤ガス流れ方向下流側には、酸化剤ガス流れ方向上流側に比べて多量の生成水が生成されている。ここで、連結通路32aは、第1酸化剤ガス流路26の酸化剤ガス流れ方向(矢印B1方向)に向かって段階的に通路断面積が小さくなるように構成されている。   At that time, a larger amount of generated water is generated on the downstream side of the first oxidizing gas flow channel 26 in the oxidizing gas flow direction than on the upstream side in the oxidizing gas flow direction. Here, the connecting passage 32a is configured such that the passage sectional area gradually decreases in the oxidant gas flow direction (arrow B1 direction) of the first oxidant gas passage 26.

具体的には、各凹凸形状部34bは、同一の深さ寸法を有し、且つ、酸化剤ガス流れ方向に向かって段階的に幅寸法が小さくなるように設定されるため、各連結通路32aは、前記酸化剤ガス流れ方向に向かって段階的に幅寸法が小さくなっている。このため、連結通路32aは、酸化剤ガス流れ方向下流に向かうに従って、圧損が高く設定されている。   Specifically, each of the concave and convex portions 34b has the same depth dimension, and is set so that the width dimension is gradually reduced toward the oxidant gas flow direction. The width dimension is gradually reduced toward the oxidant gas flow direction. For this reason, the pressure loss is set higher in the connecting passage 32a as it goes downstream in the oxidant gas flow direction.

従って、酸化剤ガス流れ方向下流に滞留する比較的多量の生成水は、下流側の圧損の高い連結通路32aから排水用流路36に強制的に排出されている。これにより、簡単な構成で、第1酸化剤ガス流路26内の重力方向下方に滞留し易い生成水を、容易且つ確実に前記第1酸化剤ガス流路26から排出することが可能になるという効果が得られる。このため、第1酸化剤ガス流路26の下部には、滞留水によるアノード側からカソード側へのクロスリークが発生することを良好に抑制することができる。   Therefore, a relatively large amount of generated water staying downstream in the oxidant gas flow direction is forcibly discharged to the drainage flow path 36 from the connection passage 32a having a high pressure loss on the downstream side. As a result, it is possible to easily and reliably discharge the generated water that tends to stay below the gravity direction in the first oxidant gas flow channel 26 from the first oxidant gas flow channel 26 with a simple configuration. The effect is obtained. For this reason, it is possible to satisfactorily suppress the occurrence of cross leak from the anode side to the cathode side due to the accumulated water in the lower portion of the first oxidant gas flow path 26.

また、第2酸化剤ガス流路50では、上記の第1酸化剤ガス流路26と同様の効果が得られる。   Further, in the second oxidant gas flow channel 50, the same effect as the first oxidant gas flow channel 26 is obtained.

一方、第1燃料ガス流路40及び第2燃料ガス流路58には、第1酸化剤ガス流路26及び第2酸化剤ガス流路50から固体高分子電解質膜74を逆拡散した生成水が存在している。この生成水は、第1酸化剤ガス流路26及び第2酸化剤ガス流路50の生成水よりも少量である。   On the other hand, in the first fuel gas flow channel 40 and the second fuel gas flow channel 58, generated water obtained by reverse diffusion of the solid polymer electrolyte membrane 74 from the first oxidant gas flow channel 26 and the second oxidant gas flow channel 50 is provided. Is present. This generated water is less than the generated water in the first oxidant gas channel 26 and the second oxidant gas channel 50.

従って、第1燃料ガス流路40及び第2燃料ガス流路58の途上から重力下方向に移動する生成水は、第1アノード排水通路44及び第2アノード排水通路62を通って排水用流路48、66に流動した後、燃料ガス出口連通孔24bに排出される。   Accordingly, the generated water that moves in the downward direction of gravity from the middle of the first fuel gas passage 40 and the second fuel gas passage 58 passes through the first anode drain passage 44 and the second anode drain passage 62 and passes through the drain passage. After flowing to 48 and 66, it is discharged to the fuel gas outlet communication hole 24b.

なお、第1燃料ガス流路40及び第2燃料ガス流路58では、燃料ガス入口連通孔24a及び燃料ガス出口連通孔24bを逆に設けることができる。これにより、アノード側連結通路でも、燃料ガス流れ方向に向かって段階的に幅寸法が小さくなり、燃料ガス流れ方向下流に向かうに従って、圧損を高く設定することが可能になる。   In the first fuel gas channel 40 and the second fuel gas channel 58, the fuel gas inlet communication hole 24a and the fuel gas outlet communication hole 24b can be provided in reverse. Thereby, also in the anode side connecting passage, the width dimension gradually decreases in the fuel gas flow direction, and the pressure loss can be set higher as it goes downstream in the fuel gas flow direction.

図15及び図16に示すように、本発明の第2の実施形態に係る燃料電池120は、複数の発電ユニット122が水平方向(矢印A方向)又は鉛直方向(矢印C方向)に沿って互いに積層される。なお、第1の実施形態に係る燃料電池10と同一の構成要素には、同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。   As shown in FIGS. 15 and 16, the fuel cell 120 according to the second embodiment of the present invention includes a plurality of power generation units 122 arranged in a horizontal direction (arrow A direction) or a vertical direction (arrow C direction). Laminated. The same components as those of the fuel cell 10 according to the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.

発電ユニット122は、第1金属セパレータ124、第1電解質膜・電極構造体126a、第2金属セパレータ128、第2電解質膜・電極構造体126b及び第3金属セパレータ130を設ける。   The power generation unit 122 includes a first metal separator 124, a first electrolyte membrane / electrode structure 126a, a second metal separator 128, a second electrolyte membrane / electrode structure 126b, and a third metal separator 130.

第1金属セパレータ124の面124aには、第1酸化剤ガス流路26の重力方向下端に、前記第1酸化剤ガス流路26から生成水を重力方向下方に排出するための第1カソード排水通路132が設けられる。第1カソード排水通路132は、第1金属セパレータ124の面124a及び該面124aとは反対の面124bに交互にプレス成形される凹凸形状部134a、134bにより構成される複数の連結通路132aを有する。   On the surface 124 a of the first metal separator 124, a first cathode drain for discharging generated water from the first oxidant gas flow channel 26 downward in the gravitational direction at the lower end in the gravity direction of the first oxidant gas flow channel 26. A passage 132 is provided. The first cathode drainage passage 132 has a plurality of connection passages 132a configured by uneven portions 134a and 134b that are alternately press-formed on the surface 124a of the first metal separator 124 and the surface 124b opposite to the surface 124a. .

図16に示すように、凹凸形状部134aは、第1電解質膜・電極構造体126a側に膨出する突起形状(裏面からは窪み形状)を有する一方、凹凸形状部134bは、隣接する第3金属セパレータ130側に膨出する突起形状(裏面からは窪み形状)を有する。   As shown in FIG. 16, the concavo-convex shape portion 134a has a protrusion shape (dent shape from the back surface) that bulges toward the first electrolyte membrane / electrode structure 126a side, while the concavo-convex shape portion 134b has an adjacent third It has a protruding shape that protrudes toward the metal separator 130 (a recessed shape from the back surface).

各凹凸形状部134bは、同一の幅寸法(矢印B方向の寸法)を有し、且つ、深さ寸法(矢印A方向の寸法)が酸化剤ガス流れ方向(矢印B1方向)に向かって段階的に小さく(浅く)なるように設定される。各凹凸形状部134aは、それぞれの幅寸法が酸化剤ガス流れ方向に向かって段階的に小さくなるように設定される。なお、各凹凸形状部134aは、それぞれの幅寸法が同一の寸法に設定されてもよい。   Each uneven-shaped part 134b has the same width dimension (dimension in the direction of arrow B), and the depth dimension (dimension in the direction of arrow A) is stepped toward the oxidant gas flow direction (arrow B1 direction). Is set to be small (shallow). Each concavo-convex shape part 134a is set so that each width dimension becomes smaller in steps toward the oxidant gas flow direction. In addition, each uneven | corrugated shaped part 134a may set each width dimension to the same dimension.

連結通路132aは、酸化剤ガス流れ方向に向かって段階的に深さ寸法(矢印A方向の寸法)が小さくなるように、すなわち、通路断面積が小さくなるように構成される。隣接する連結通路132a同士の間隔は、酸化剤ガス流れ方向に向かって小さくなるように(又は同一に)構成される。   The connecting passage 132a is configured such that the depth dimension (dimension in the direction of arrow A) decreases stepwise in the oxidant gas flow direction, that is, the passage cross-sectional area decreases. The interval between the adjacent connection passages 132a is configured to become smaller (or the same) in the oxidant gas flow direction.

第2金属セパレータ128は、第1燃料ガス流路40側に第1アノード排水通路136を設けるとともに、第2酸化剤ガス流路50側に第2カソード排水通路138を設ける。第1アノード排水通路136は、第2金属セパレータ128の面128a及び該面128aとは反対の面128bに交互にプレス成形される凹凸形状部140a、140bにより構成される複数の連結通路136aを有する。   The second metal separator 128 is provided with a first anode drain passage 136 on the first fuel gas passage 40 side and a second cathode drain passage 138 on the second oxidant gas passage 50 side. The first anode drainage passage 136 has a plurality of connection passages 136a configured by uneven portions 140a and 140b that are alternately press-formed on the surface 128a of the second metal separator 128 and the surface 128b opposite to the surface 128a. .

図16に示すように、凹凸形状部140aは、第1電解質膜・電極構造体126a側に膨出する突起形状(裏面からは窪み形状)を有する一方、凹凸形状部140bは、第2電解質膜・電極構造体126b側に膨出する突起形状(裏面からは窪み形状)を有する。   As shown in FIG. 16, the concavo-convex shape portion 140a has a protrusion shape (dent shape from the back surface) that bulges toward the first electrolyte membrane / electrode structure 126a side, while the concavo-convex shape portion 140b includes the second electrolyte membrane. -It has a protruding shape (a recessed shape from the back surface) that bulges toward the electrode structure 126b.

各凹凸形状部140bは、同一の幅寸法(矢印B方向の寸法)を有し、且つ、深さ寸法(矢印A方向の寸法)が燃料ガス流れ方向(矢印B2方向)に向かって段階的に大きく(深く)なるように設定される。各凹凸形状部140aは、それぞれの幅寸法が酸化剤ガス流れ方向に向かって段階的に小さくなるように設定される。   Each concavo-convex shape portion 140b has the same width dimension (dimension in the arrow B direction), and the depth dimension (dimension in the arrow A direction) is stepwise toward the fuel gas flow direction (arrow B2 direction). It is set to be large (deep). Each concavo-convex shape part 140a is set so that each width dimension becomes small in steps toward the oxidant gas flow direction.

第2カソード排水通路138は、凹凸形状部140a、140bにより構成される複数の連結通路138aを有する。各凹凸形状部140aは、同一の幅寸法(矢印B方向の寸法)を有し、且つ、深さ寸法(矢印A方向の寸法)が酸化剤ガス流れ方向(矢印B1方向)に向かって段階的に小さく(浅く)なるように設定される。連結通路138aは、酸化剤ガス流れ方向に向かって段階的に深さ寸法(矢印A方向の寸法)が小さくなるように、すなわち、通路断面積が小さくなるように構成される。隣接する連結通路138a同士の間隔は、酸化剤ガス流れ方向に向かって小さくなるように(又は同一に)構成される。   The second cathode drainage passage 138 has a plurality of connection passages 138a configured by the concave and convex portions 140a and 140b. Each concavo-convex shape portion 140a has the same width dimension (dimension in the arrow B direction), and the depth dimension (dimension in the arrow A direction) is stepwise toward the oxidant gas flow direction (arrow B1 direction). Is set to be small (shallow). The connecting passage 138a is configured such that the depth dimension (dimension in the direction of arrow A) decreases stepwise in the oxidant gas flow direction, that is, the passage cross-sectional area decreases. The interval between the adjacent connecting passages 138a is configured to become smaller (or the same) in the oxidant gas flow direction.

第3金属セパレータ130は、第2燃料ガス流路58側に第2アノード排水通路142を設ける。第2アノード排水通路142は、第3金属セパレータ130の面130a及び該面130aとは反対の面130bに交互にプレス成形される凹凸形状部144a、144bにより構成される複数の連結通路142aを有する。   The third metal separator 130 is provided with a second anode drain passage 142 on the second fuel gas channel 58 side. The second anode drainage passage 142 has a plurality of connection passages 142a configured by concave and convex portions 144a and 144b that are alternately press-formed on the surface 130a of the third metal separator 130 and the surface 130b opposite to the surface 130a. .

図16に示すように、凹凸形状部144aは、第2電解質膜・電極構造体126b側に膨出する突起形状(裏面からは窪み形状)を有する一方、凹凸形状部144bは、隣接する第1金属セパレータ124側に膨出する突起形状(裏面からは窪み形状)を有する。   As shown in FIG. 16, the concavo-convex shape portion 144a has a protruding shape (dent shape from the back surface) that bulges toward the second electrolyte membrane / electrode structure 126b, while the concavo-convex shape portion 144b is adjacent to the first It has a protruding shape that bulges to the metal separator 124 side (a recessed shape from the back surface).

各凹凸形状部144bは、同一の幅寸法(矢印B方向の寸法)を有し、且つ、深さ寸法(矢印A方向の寸法)が燃料ガス流れ方向(矢印B2方向)に向かって段階的に小さく(浅く)なるように設定される。各凹凸形状部144bは、それぞれの幅寸法が燃料ガス流れ方向に向かって段階的に大きくなるように設定される。   Each concavo-convex shape portion 144b has the same width dimension (dimension in the arrow B direction), and the depth dimension (dimension in the arrow A direction) gradually increases in the fuel gas flow direction (arrow B2 direction). It is set to be small (shallow). Each uneven | corrugated shaped part 144b is set so that each width dimension may become large gradually in the fuel gas flow direction.

第1電解質膜・電極構造体126aは、第1樹脂枠部材146を有する。この第1樹脂枠部材146では、図16に示すように、第1金属セパレータ124側の面146aは、平坦状に形成される一方、第2金属セパレータ128側の面146bは、各凹凸形状部140bが平面状に配列されるように、矢印B2方向に向かって段階的に内方に切り欠く階段形状に形成される。   The first electrolyte membrane / electrode structure 126 a includes a first resin frame member 146. In the first resin frame member 146, as shown in FIG. 16, the surface 146a on the first metal separator 124 side is formed in a flat shape, while the surface 146b on the second metal separator 128 side is formed in each uneven shape portion. 140b is formed in a staircase shape that is stepped inwardly in the direction of arrow B2 so that 140b is arranged in a planar shape.

このように構成される第2の実施形態では、図15に示すように、第1金属セパレータ124の第1酸化剤ガス流路26の重力方向下端に、前記第1酸化剤ガス流路26から生成水を重力方向下方に排出するための第1カソード排水通路132が設けられている。   In the second embodiment configured as described above, as shown in FIG. 15, the first oxidant gas flow path 26 has a lower end in the gravity direction of the first oxidant gas flow path 26 of the first metal separator 124. A first cathode drain passage 132 for discharging the generated water downward in the direction of gravity is provided.

さらに、図16に示すように、第1カソード排水通路132は、凹凸形状部134a、134bにより構成される複数の連結通路132aを有するとともに、前記連結通路132aは、酸化剤ガス流れ方向に向かって段階的に深さ寸法(矢印A方向の寸法)が小さくなるように、すなわち、通路断面積が小さくなるように構成されている。   Further, as shown in FIG. 16, the first cathode drainage passage 132 has a plurality of connection passages 132 a configured by uneven portions 134 a and 134 b, and the connection passage 132 a is directed toward the oxidant gas flow direction. The depth dimension (dimension in the direction of arrow A) is decreased stepwise, that is, the passage cross-sectional area is decreased.

これにより、連結通路132aは、酸化剤ガス流れ方向下流に向かうに従って、圧損が高く設定されている。このため、簡単な構成で、第1酸化剤ガス流路26内の重力方向下方に滞留し易い生成水を、容易且つ確実に前記第1酸化剤ガス流路26から排出することが可能になる等、上記の第1の実施形態と同様の効果が得られる。なお、第2酸化剤ガス流路50においても、同様の効果が得られる。   Thus, the pressure loss is set higher in the connecting passage 132a as it goes downstream in the oxidant gas flow direction. For this reason, it is possible to easily and reliably discharge the generated water that tends to stay in the first oxidant gas flow channel 26 in the direction of gravity in the first oxidant gas flow channel 26 with a simple configuration. The same effects as those of the first embodiment are obtained. The same effect can be obtained in the second oxidant gas flow path 50.

図17及び図18に示すように、本発明の第3の実施形態に係る燃料電池150は、複数の発電ユニット152が水平方向(矢印A方向)又は鉛直方向(矢印C方向)に沿って互いに積層される。なお、第1の実施形態に係る燃料電池10と同一の構成要素には、同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。   As shown in FIGS. 17 and 18, in the fuel cell 150 according to the third embodiment of the present invention, the plurality of power generation units 152 are arranged in the horizontal direction (arrow A direction) or the vertical direction (arrow C direction). Laminated. The same components as those of the fuel cell 10 according to the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.

発電ユニット152は、第1金属セパレータ14と第2金属セパレータ154との間に、電解質膜・電極構造体16を挟持して構成される。第2金属セパレータ154は、電解質膜・電極構造体16側の面154aに、燃料ガス流路40が設けられるとともに、前記燃料ガス流路40の重力方向下端には、前記燃料ガス流路40から生成水(逆拡散水)を重力方向下方に排出するためのアノード排水通路44が設けられる。第2金属セパレータ154の他方の面154bには、冷却媒体流路38の一部が構成される。   The power generation unit 152 is configured by sandwiching the electrolyte membrane / electrode structure 16 between the first metal separator 14 and the second metal separator 154. The second metal separator 154 is provided with a fuel gas channel 40 on the surface 154a on the electrolyte membrane / electrode structure 16 side, and at the lower end in the gravitational direction of the fuel gas channel 40 from the fuel gas channel 40. An anode drainage passage 44 for discharging generated water (back diffusion water) downward in the direction of gravity is provided. A part of the cooling medium flow path 38 is formed on the other surface 154 b of the second metal separator 154.

電解質膜・電極構造体16は、第1の実施形態の第1電解質膜・電極構造体16a又は第2電解質膜・電極構造体16bと同様に構成されている。   The electrolyte membrane / electrode structure 16 is configured similarly to the first electrolyte membrane / electrode structure 16a or the second electrolyte membrane / electrode structure 16b of the first embodiment.

このように構成される第3の実施形態では、第1金属セパレータ14の面14aには、第1カソード排水通路32が設けられるとともに、前記第1カソード排水通路32は、重力方向下方から第1酸化剤ガス流路26の酸化剤ガス流れ方向に向かって傾斜する複数の連結通路32aを有している。連結通路32aは、第1酸化剤ガス流路26の酸化剤ガス流れ方向(矢印B1方向)に向かって段階的に通路断面積が小さくなるように構成されている。   In the third embodiment configured as described above, the first cathode drain passage 32 is provided on the surface 14a of the first metal separator 14, and the first cathode drain passage 32 is first from the lower side in the gravity direction. A plurality of connecting passages 32 a that incline toward the oxidant gas flow direction of the oxidant gas flow path 26 are provided. The connecting passage 32a is configured such that the passage sectional area gradually decreases in the oxidant gas flow direction (arrow B1 direction) of the first oxidant gas passage 26.

このため、簡単な構成で、第1酸化剤ガス流路26内の重力方向下方に滞留し易い生成水を、容易且つ確実に前記第1酸化剤ガス流路26から排出することが可能になる等、上記の第1の実施形態と同様の効果が得られる。なお、第3の実施形態では、上記の第2の実施形態と同様に構成してもよい。   For this reason, it is possible to easily and reliably discharge the generated water that tends to stay in the first oxidant gas flow channel 26 in the direction of gravity in the first oxidant gas flow channel 26 with a simple configuration. The same effects as those of the first embodiment are obtained. Note that the third embodiment may be configured similarly to the second embodiment described above.

10、120、150…燃料電池 12、122、152…発電ユニット
14、18、20、124、154…金属セパレータ
16a、16b…電解質膜・電極構造体
22a…酸化剤ガス入口連通孔 22b…酸化剤ガス出口連通孔
24a…燃料ガス入口連通孔 24b…燃料ガス出口連通孔
25a…冷却媒体入口連通孔 25b…冷却媒体出口連通孔
26、50…酸化剤ガス流路 32、54…カソード排水通路
32a、44a、54a、62a、132a、136a、138a、142a…連結通路
34a、34b、46a、46b、64a、64b、134a、134b、140a、140b、144a、144b…凹凸形状部
36、48、56、66…排水用流路
38…冷却媒体流路 40…燃料ガス流路
44、62…アノード排水通路 58…燃料ガス流路
68、70、72…シール部材 74…固体高分子電解質膜
76…カソード電極 78…アノード電極
80、82…樹脂枠部材
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10, 120, 150 ... Fuel cell 12, 122, 152 ... Electric power generation unit 14, 18, 20, 124, 154 ... Metal separator 16a, 16b ... Electrolyte membrane and electrode structure 22a ... Oxidant gas inlet communication hole 22b ... Oxidant Gas outlet communication hole 24a ... Fuel gas inlet communication hole 24b ... Fuel gas outlet communication hole 25a ... Cooling medium inlet communication hole 25b ... Cooling medium outlet communication hole 26, 50 ... Oxidant gas flow path 32, 54 ... Cathode drain passage 32a, 44a, 54a, 62a, 132a, 136a, 138a, 142a ... Connecting passages 34a, 34b, 46a, 46b, 64a, 64b, 134a, 134b, 140a, 140b, 144a, 144b ... Uneven shape portions 36, 48, 56, 66 ... drainage channel 38 ... cooling medium channel 40 ... fuel gas channel 44, 62 ... anode drain channel 58 ... Fuel gas flow paths 68, 70, 72 ... Sealing member 74 ... Solid polymer electrolyte membrane 76 ... Cathode electrode 78 ... Anode electrode 80, 82 ... Resin frame member

Claims (3)

電解質膜の両側に一対の電極が設けられる電解質膜・電極構造体とセパレータとが水平方向に沿って積層されるとともに、電極面が重力方向に沿った鉛直姿勢で且つ水平方向に長尺な横長形状を有し、酸化剤ガス又は燃料ガスである反応ガスを前記電極面の長手方向に沿って流通させる反応ガス流路が設けられる燃料電池であって、
前記反応ガス流路の重力方向下方には、前記セパレータの前記長手方向に延在する排水用流路が設けられるとともに、
前記反応ガス流路の重力方向最下端と前記排水用流路とを連通する複数の連結通路を備え、
前記連結通路は、前記反応ガス流路の反応ガス流れ方向に向かって段階的に通路断面積が小さくなるように構成されることを特徴とする燃料電池。
An electrolyte membrane / electrode structure in which a pair of electrodes are provided on both sides of the electrolyte membrane and a separator are stacked along the horizontal direction, and the electrode surface is vertically oriented along the gravitational direction and horizontally long. A fuel cell having a shape and provided with a reaction gas flow path for flowing a reaction gas that is an oxidant gas or a fuel gas along the longitudinal direction of the electrode surface,
A drainage flow path extending in the longitudinal direction of the separator is provided below the reaction gas flow path in the gravity direction,
A plurality of connecting passages for communicating the lowermost gravity direction lower end of the reaction gas flow path and the drainage flow path;
The fuel cell according to claim 1, wherein the connection passage is configured so that a cross-sectional area of the passage gradually decreases toward a reaction gas flow direction of the reaction gas passage.
請求項1記載の燃料電池において、隣接する前記連結通路同士の間隔は、前記反応ガス流れ方向に向かって小さくなるように構成されることを特徴とする燃料電池。   2. The fuel cell according to claim 1, wherein an interval between the adjacent connection passages is configured to become smaller in the reaction gas flow direction. 3. 請求項1又は2記載の燃料電池において、前記セパレータの水平方向一端下部には、前記反応ガス流路に連通し積層方向に貫通する反応ガス出口連通孔が設けられ、
前記反応ガス出口連通孔には、前記排水用流路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 a reaction gas outlet communication hole communicating with the reaction gas flow path and penetrating in a stacking direction is provided at a lower end of the separator in the horizontal direction.
The fuel cell, wherein the drainage flow path communicates with the reaction gas outlet communication hole.
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