JP2017117642A - Fuel battery - Google Patents

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道久 望月
Michihisa Mochizuki
道久 望月
林 友和
Tomokazu Hayashi
友和 林
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To improve drainage of a fuel battery.SOLUTION: A fuel battery comprises: an electric power module having a film electrode assembly and a first and a second gas diffusion layers arranged on both sides of the film electrode assembly; a first separator that is arranged on the first gas diffusion layer of the electric power module; a second separator that is arranged on the second gas diffusion layer of the electric power module; and a resin sheet that is arranged on an outer side of the electric power module between both separators, and seals between both separators. Each of them comprises a manifold hole constructing a manifold for distributing a reaction gas to the electric power module. The resin sheet comprises a passage groove for communicating an inner space to which the first gas diffusion layer is arranged and the manifold. The passage groove includes a taper form passage cross section that becomes wider as a direction toward the first separator from the second separator, and has a form in which the first separator side is opened.SELECTED DRAWING: Figure 3

Description

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

一般に、燃料電池は、膜電極接合体の両面にガス拡散層を配置した発電モジュールと、発電モジュールを挟む2枚のセパレータと、を有する。2枚のセパレータの間における発電モジュールの外側は、樹脂製のシール部材によって密封される(特許文献1、2を参照)。特許文献1には、シール部材としての樹脂枠部材に、ガス拡散層が配置される内部空間と連通する開口部を形成した構成が開示されている。   In general, a fuel cell includes a power generation module in which gas diffusion layers are arranged on both surfaces of a membrane electrode assembly, and two separators that sandwich the power generation module. The outside of the power generation module between the two separators is sealed by a resin seal member (see Patent Documents 1 and 2). Patent Document 1 discloses a configuration in which an opening communicating with an internal space in which a gas diffusion layer is disposed is formed in a resin frame member as a seal member.

特開2014−63727号公報JP 2014-63727 A 特開2013−251253号公報JP 2013-251253 A

上述した先行技術において、一対のセパレータ間を貫くマニホールドと前記開口部とが連通孔によって繋がった構成とすることができる。この構成では、連通孔の上下面がセパレータで覆われた構造となる。このため、燃料電池で生成された水が両セパレータに付着して、燃料電池からの排水性が悪化する問題があった。   In the prior art described above, the manifold penetrating between a pair of separators and the opening may be connected by a communication hole. In this configuration, the upper and lower surfaces of the communication hole are covered with the separator. For this reason, the water produced | generated with the fuel cell adhered to both separators, and there existed a problem which the drainage property from a fuel cell deteriorated.

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。   SUMMARY An advantage of some aspects of the invention is to solve at least a part of the problems described above, and the invention can be implemented as the following forms.

(1)本発明の一形態は、燃料電池である。この燃料電池は、膜電極接合体と、前記膜電極接合体の両側に配置された第1および第2のガス拡散層と、を有する発電モジュールと、前記発電モジュールの前記第1のガス拡散層側に配置された第1のセパレータと、前記発電モジュールの前記第2のガス拡散層側に配置された第2のセパレータと、前記第1のセパレータと前記第2のセパレータとの間における前記発電モジュールの外側に配置され、前記第1のセパレータと前記第2のセパレータとの間をシールする樹脂シートと、を備える。前記第1のセパレータと前記樹脂シートと前記第2のセパレータとのそれぞれは、前記発電モジュールに反応ガスを分配するためのマニホールドを構成するマニホールド孔を備える。前記樹脂シートは、前記第1のガス拡散層が配置される内部空間と前記マニホールドとを連通するための流路溝を備える。前記流路溝は、前記第2のセパレータから前記第1のセパレータに向かう方向に広くなるテーパ形状の流路断面を有し、前記第1のセパレータ側が開いた形状である。 (1) One embodiment of the present invention is a fuel cell. The fuel cell includes a power generation module having a membrane electrode assembly and first and second gas diffusion layers disposed on both sides of the membrane electrode assembly, and the first gas diffusion layer of the power generation module. The first separator disposed on the side, the second separator disposed on the second gas diffusion layer side of the power generation module, and the power generation between the first separator and the second separator A resin sheet that is disposed outside the module and seals between the first separator and the second separator. Each of the first separator, the resin sheet, and the second separator includes a manifold hole that forms a manifold for distributing reaction gas to the power generation module. The resin sheet includes a flow channel for communicating the internal space in which the first gas diffusion layer is disposed and the manifold. The channel groove has a tapered channel cross section that widens in the direction from the second separator toward the first separator, and has a shape in which the first separator side is open.

この形態の燃料電池によれば、流路溝が、第2のセパレータから第1のセパレータに向かう方向に広くなるテーパ形状の流路断面を有し、第1のセパレータ側が開いた形状であることから、樹脂シートに形成された流路溝において、発電モジュールで発生した生成水が第1のセパレータ側に偏り易い。各セパレータは親水性を有し、樹脂シートは撥水性を有するためである。生成水が第1のセパレータ側に偏ることで、反応ガスを通す空間を流路溝内に十分に確保することができる。この結果、燃料電池の排水性を向上することができる。   According to the fuel cell of this aspect, the channel groove has a tapered channel cross section that widens in the direction from the second separator toward the first separator, and the first separator side is open. Therefore, the generated water generated in the power generation module tends to be biased toward the first separator in the flow channel formed in the resin sheet. This is because each separator has hydrophilicity and the resin sheet has water repellency. Since the generated water is biased toward the first separator, a space for allowing the reaction gas to pass can be sufficiently secured in the channel groove. As a result, the drainage of the fuel cell can be improved.

本発明の第1実施形態における燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows schematic structure of the fuel cell system in 1st Embodiment of this invention. アノード側セパレータをMEGAとは反対側から見た概略平面図である。It is the schematic plan view which looked at the anode side separator from the opposite side to MEGA. 図2のA−A断面を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the AA cross section of FIG. 接合前におけるA−A断面を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the AA cross section before joining. 発電後におけるA−A断面を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the AA cross section after electric power generation. 参考例としての燃料電池セルの要部断面図である。It is principal part sectional drawing of the fuel battery cell as a reference example. 第2実施形態における燃料電池セルの断面を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the cross section of the fuel cell in 2nd Embodiment.

A.第1実施形態:
図1は、本発明の第1実施形態における燃料電池システム10の概略構成を示す説明図である。燃料電池システム10は、燃料電池としての燃料電池スタック100を備えている。燃料電池スタック100は、エンドプレート110と、絶縁板120と、集電板130と、複数の燃料電池セル(以下、単に「セル」とも呼ぶ)140と、集電板130と、絶縁板120と、エンドプレート110と、が、この順に積層されたスタック構造を有している。なお、セル140の積層方向は、本実施形態では鉛直方向Yに垂直な方向Xとなっている。鉛直方向Yおよび積層方向Xに垂直な図中の表裏方向は前後方向Zである。前後方向Zは、本実施形態の燃料電池システム10を車両に搭載したときの車両の前後方向と一致する方向であることから、そのように呼ぶ。
A. First embodiment:
FIG. 1 is an explanatory diagram showing a schematic configuration of a fuel cell system 10 according to the first embodiment of the present invention. The fuel cell system 10 includes a fuel cell stack 100 as a fuel cell. The fuel cell stack 100 includes an end plate 110, an insulating plate 120, a current collecting plate 130, a plurality of fuel cell units (hereinafter also simply referred to as “cells”) 140, a current collecting plate 130, an insulating plate 120, The end plate 110 has a stack structure that is laminated in this order. Note that the stacking direction of the cells 140 is a direction X perpendicular to the vertical direction Y in this embodiment. The front-back direction in the figure perpendicular to the vertical direction Y and the stacking direction X is the front-rear direction Z. The front-rear direction Z is referred to as such because it corresponds to the front-rear direction of the vehicle when the fuel cell system 10 of the present embodiment is mounted on the vehicle.

燃料電池スタック100には、高圧水素を貯蔵した水素タンク150から、シャットバルブ151、レギュレータ152、配管153を介して、燃料ガスとしての水素が供給される。燃料電池スタック100において利用されなかった燃料ガス(アノードオフガス)は、排出配管163を介して燃料電池スタック100の外部に排出される。なお、燃料電池システム10は、アノードオフガスを配管153側に再循環させる再循環機構を有するとしてもよい。燃料電池スタック100には、また、エアポンプ160および配管161を介して、酸化剤ガスとしての空気が供給される。燃料電池スタック100において利用されなかった酸化剤ガス(カソードオフガス)は、排出配管154を介して燃料電池スタック100の外部に排出される。なお、燃料ガスおよび酸化剤ガスは、反応ガスとも呼ばれる。   Hydrogen as fuel gas is supplied to the fuel cell stack 100 from a hydrogen tank 150 that stores high-pressure hydrogen via a shut valve 151, a regulator 152, and a pipe 153. The fuel gas (anode off gas) not used in the fuel cell stack 100 is discharged to the outside of the fuel cell stack 100 via the discharge pipe 163. The fuel cell system 10 may have a recirculation mechanism that recirculates the anode off gas to the pipe 153 side. The fuel cell stack 100 is also supplied with air as an oxidant gas via the air pump 160 and the pipe 161. The oxidant gas (cathode off gas) that has not been used in the fuel cell stack 100 is discharged to the outside of the fuel cell stack 100 via the discharge pipe 154. The fuel gas and the oxidant gas are also called reaction gas.

さらに、燃料電池スタック100には、燃料電池スタック100を冷却するため、ウォーターポンプ171および配管172を介して、ラジエータ170により冷却された冷却媒体が供給される。燃料電池スタック100から排出された冷却媒体は、配管173を介してラジエータ170に循環する。冷却媒体としては、例えば、水、エチレングリコール等の不凍水、空気などが用いられる。本例では、冷却媒体として水(「冷却水」とも呼ぶ)が用いられる。   Further, the cooling medium cooled by the radiator 170 is supplied to the fuel cell stack 100 via the water pump 171 and the pipe 172 in order to cool the fuel cell stack 100. The cooling medium discharged from the fuel cell stack 100 is circulated to the radiator 170 via the pipe 173. As the cooling medium, for example, water, antifreeze water such as ethylene glycol, air, or the like is used. In this example, water (also referred to as “cooling water”) is used as the cooling medium.

燃料電池スタック100に備えられる各セル140は、発電モジュールとしての膜電極ガス拡散層接合体(MEGA:Membrane Electrode Gas diffusion layer Assembly)30と、MEGA30を挟持する一対のセパレータ40,50と、を備えている。MEGA30は、膜電極接合体(MEA:Membrane Electrode Assembly)31と、MEA31の両面に配置された一対のガス拡散層32,33と、を備えている。一方のセパレータ50、すなわち、アノード側セパレータ50は、MEGA30側の面に筋状の複数の燃料ガス流路溝52を備え、MEGA30と反対側の面に筋状の複数の冷却媒体流路溝54を備える。他方のセパレータ40、すなわち、カソード側セパレータ40は、MEGA30側の面に筋状の複数の酸化剤ガス流路溝42を備える。   Each cell 140 provided in the fuel cell stack 100 includes a membrane electrode gas diffusion layer assembly (MEGA) 30 as a power generation module, and a pair of separators 40 and 50 sandwiching the MEGA 30. ing. The MEGA 30 includes a membrane electrode assembly (MEA) 31 and a pair of gas diffusion layers 32 and 33 disposed on both surfaces of the MEA 31. One separator 50, that is, the anode-side separator 50, includes a plurality of streaky fuel gas passage grooves 52 on the MEGA 30 side surface, and a plurality of streaky cooling medium passage grooves 54 on the surface opposite to the MEGA 30. Is provided. The other separator 40, that is, the cathode-side separator 40 includes a plurality of oxidant gas flow channel grooves 42 in a streak shape on the surface on the MEGA 30 side.

各セル140は、さらに、アノード側セパレータ50とカソード側セパレータ40の間におけるMEGA30の面方向(図中のY−Z方向)の外側(外周)に配置される樹脂シート80を備えている。樹脂シート80は、熱可塑性樹脂を用いて板状かつ枠状をなすように型成型され、その中央領域にMEGA30を保持した状態で、アノード側セパレータ50とカソード側セパレータ40の間をシールする。樹脂シート80としては、例えば、PE,PP,PET,PEN等の樹脂を用いることができる。樹脂シート80は、樹脂シート80の表層部が製造過程において溶融し、その後の養生を経て硬化することで、各セパレータ40,50に接着される。樹脂シート80は撥水性を有する。   Each cell 140 further includes a resin sheet 80 disposed on the outer side (outer periphery) in the surface direction (YZ direction in the drawing) of the MEGA 30 between the anode side separator 50 and the cathode side separator 40. The resin sheet 80 is molded using a thermoplastic resin so as to form a plate shape and a frame shape, and seals between the anode side separator 50 and the cathode side separator 40 in a state where the MEGA 30 is held in the center region. As the resin sheet 80, for example, a resin such as PE, PP, PET, PEN can be used. The resin sheet 80 is bonded to the separators 40 and 50 by melting the surface layer portion of the resin sheet 80 in the manufacturing process and curing it after the curing. The resin sheet 80 has water repellency.

図2は、セル140のアノード側セパレータ50をMEGA30とは反対側から見た概略平面図である。図2において、表裏方向が積層方向Xであり、上下方向が鉛直方向Yであり、左右方向が前後方向Zである。アノード側セパレータ50およびカソード側セパレータ40は、ガス遮断性および電気伝導性を有する部材によって構成されており、例えば、カーボン粒子を圧縮してガス不透過とした緻密質カーボン等のカーボン製部材や、プレス成形したステンレス鋼やチタン鋼などの金属部材によって形成されている。これら材料によって形成されるセパレータ40,50は親水性である。本実施形態では、セパレータ40,50はメタルプレスセパレータである。   FIG. 2 is a schematic plan view of the anode separator 50 of the cell 140 as viewed from the side opposite to the MEGA 30. In FIG. 2, the front / back direction is the stacking direction X, the up / down direction is the vertical direction Y, and the left / right direction is the front / rear direction Z. The anode-side separator 50 and the cathode-side separator 40 are configured by members having gas barrier properties and electrical conductivity. For example, a carbon-made member such as dense carbon in which carbon particles are compressed and gas-impermeable, It is made of a press-molded metal member such as stainless steel or titanium steel. The separators 40 and 50 formed of these materials are hydrophilic. In the present embodiment, the separators 40 and 50 are metal press separators.

アノード側セパレータ50の前後方向Zの一端縁部には、燃料ガス入口マニホールド62と、冷却媒体出口マニホールド78と、酸化剤ガス入口マニホールド72と、が鉛直方向Yに沿って上から順に配置されている。これに対して、他端縁部には、酸化剤ガス出口マニホールド74と、冷却媒体入口マニホールド76と、燃料ガス出口マニホールド64と、が鉛直方向Yに沿って上から順に並んで配置されている。燃料ガス入口マニホールド62および燃料ガス出口マニホールド64と、酸化剤ガス入口マニホールド72および酸化剤ガス出口マニホールド74と、冷却媒体入口マニホールド76および冷却媒体出口マニホールド78と、は前後方向Zの両側の外縁部分で互いに対向するように配置されている。各マニホールド62、64、72、74、76、78が、[発明の概要]の欄に記載した本発明の一形態における「マニホールド孔」に相当する。   A fuel gas inlet manifold 62, a coolant outlet manifold 78, and an oxidant gas inlet manifold 72 are arranged in order from the top along the vertical direction Y at one edge of the anode separator 50 in the front-rear direction Z. Yes. On the other hand, an oxidant gas outlet manifold 74, a cooling medium inlet manifold 76, and a fuel gas outlet manifold 64 are arranged along the vertical direction Y in order from the top at the other end edge. . The fuel gas inlet manifold 62 and the fuel gas outlet manifold 64, the oxidant gas inlet manifold 72 and the oxidant gas outlet manifold 74, and the cooling medium inlet manifold 76 and the cooling medium outlet manifold 78 are outer edge portions on both sides in the front-rear direction Z. Are arranged so as to face each other. Each manifold 62, 64, 72, 74, 76, 78 corresponds to a “manifold hole” in one embodiment of the present invention described in the “Summary of the Invention” column.

燃料ガス用の配管153(図1)を介して供給された燃料ガスは、燃料ガス入口マニホールド62によって各セル140の燃料ガス流路溝52(図1)に分配される。その後、燃料ガス流路溝52において利用されなかった燃料ガスが、燃料ガス出口マニホールド64によって集められ、排出配管163(図1)を介して燃料電池スタック100の外部に排出される。また、酸化剤ガス用の配管161(図1)を介して供給された酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口マニホールド72によって各セル140の酸化剤ガス流路溝42(図1)に分配される。その後、酸化剤ガス流路溝42において利用されなかった酸化剤ガスが酸化剤ガス出口マニホールド74によって集められ、排出配管154(図1)を介して燃料電池スタック100の外部に排出される。   The fuel gas supplied through the fuel gas pipe 153 (FIG. 1) is distributed to the fuel gas flow channel grooves 52 (FIG. 1) of the respective cells 140 by the fuel gas inlet manifold 62. Thereafter, the fuel gas that has not been used in the fuel gas passage groove 52 is collected by the fuel gas outlet manifold 64 and discharged to the outside of the fuel cell stack 100 through the discharge pipe 163 (FIG. 1). Further, the oxidant gas supplied via the oxidant gas pipe 161 (FIG. 1) is distributed to the oxidant gas flow channel 42 (FIG. 1) of each cell 140 by the oxidant gas inlet manifold 72. . Thereafter, the oxidant gas that has not been used in the oxidant gas passage groove 42 is collected by the oxidant gas outlet manifold 74 and discharged to the outside of the fuel cell stack 100 via the discharge pipe 154 (FIG. 1).

アノード側セパレータ50のMEGA30とは反対側から見た平面において、冷却媒体入口マニホールド76と、冷却媒体流路溝54と、冷却媒体出口マニホールド78とは、前後方向Zに互いに連通して、冷却媒体流路面190を構成する。冷却媒体用の配管172(図1)を介して供給された冷却媒体は、冷却媒体入口マニホールド76によって、各セル140の冷却媒体流路溝54に分配される。その後、冷却媒体は、冷却媒体出口マニホールド78によって集められ、配管173(図1)を介して燃料電池スタック100の外部に排出される。   The cooling medium inlet manifold 76, the cooling medium flow channel 54, and the cooling medium outlet manifold 78 communicate with each other in the front-rear direction Z on the plane of the anode side separator 50 as viewed from the side opposite to the MEGA 30. A flow path surface 190 is formed. The cooling medium supplied via the cooling medium pipe 172 (FIG. 1) is distributed to the cooling medium flow channel 54 of each cell 140 by the cooling medium inlet manifold 76. Thereafter, the cooling medium is collected by the cooling medium outlet manifold 78 and discharged to the outside of the fuel cell stack 100 via the pipe 173 (FIG. 1).

なお、各マニホールド62,64,72,74,76,78は開口が略矩形状である。カソード側セパレータ40および樹脂シート80にも同様なマニホールド孔が設けられており、各マニホールド(マニホールド孔)62,64,72,74,76,78は燃料電池スタック100内を積層方向Xに貫通する流路(マニホールド)を形成する。   Each manifold 62, 64, 72, 74, 76, 78 has a substantially rectangular opening. The cathode side separator 40 and the resin sheet 80 are also provided with similar manifold holes, and each manifold (manifold hole) 62, 64, 72, 74, 76, 78 penetrates the fuel cell stack 100 in the stacking direction X. A flow path (manifold) is formed.

アノード側セパレータ50のMEGA30とは反対側から見た平面において、冷却媒体流路面190と燃料ガス入口マニホールド62との間には、複数の凸部50mが設けられている。凸部50mは、プレス成形加工によるものである。凸部50mは、アノード側セパレータ50のMEGA30側(すなわち、図2の裏面側)から見れば、凹部(溝)となり、MEGA30のアノード側ガス拡散層33が配置される内部空間SP(図1)と燃料ガス入口マニホールド62とを連通する連通孔90(図3)の一部分を構成する。連通孔90を構成する凸部50mは、図示では3本であるが、本数は、3本に限る必要はなく、他の本数(1、2、4以上の数)とすることができる。   A plurality of convex portions 50 m are provided between the coolant flow path surface 190 and the fuel gas inlet manifold 62 on a plane viewed from the side of the anode separator 50 opposite to the MEGA 30. The convex portion 50m is formed by press molding. The convex portion 50m becomes a concave portion (groove) when viewed from the MEGA 30 side (that is, the back surface side in FIG. 2) of the anode-side separator 50, and the internal space SP in which the anode-side gas diffusion layer 33 of the MEGA 30 is disposed (FIG. 1). And a part of the communication hole 90 (FIG. 3) that communicates with the fuel gas inlet manifold 62. Although the number of the convex portions 50m constituting the communication hole 90 is three in the drawing, the number is not limited to three, and may be other numbers (1, 2, 4 or more).

図3は、図2に示したアノード側セパレータ50のA−A断面を示す説明図である。A−A断面は、燃料ガス入口マニホールド62とアノード側ガス拡散層33(図1)との間の部分である。図示するように、アノード側セパレータ50には、前述した凸部50mが形成され、その内側には、前後方向Zに伸びる流路溝P1が形成される。アノード側セパレータ50に対向するカソード側セパレータ40は、A−A断面付近では、平らである。   FIG. 3 is an explanatory view showing an AA section of the anode-side separator 50 shown in FIG. The AA cross section is a portion between the fuel gas inlet manifold 62 and the anode side gas diffusion layer 33 (FIG. 1). As shown in the figure, the anode-side separator 50 is formed with the above-described convex portion 50m, and a flow channel P1 extending in the front-rear direction Z is formed inside thereof. The cathode separator 40 facing the anode separator 50 is flat in the vicinity of the AA cross section.

アノード側セパレータ50とカソード側セパレータ40との間には、前述した樹脂シート80が配置されており、このA−A断面においても、樹脂シート80は現れる。図示するように、樹脂シート80には、複数の樹脂シート側流路溝P2が形成されている。各樹脂シート側流路溝P2は、アノード側セパレータ50側の流路溝(以下、「セパレータ側流路溝」と呼ぶ)P1のそれぞれと対になって、アノード側ガス拡散層33が配置される内部空間SPと燃料ガス入口マニホールド62とを結ぶ連通孔90を構成する。   Between the anode side separator 50 and the cathode side separator 40, the resin sheet 80 mentioned above is arrange | positioned, and the resin sheet 80 appears also in this AA cross section. As shown in the drawing, the resin sheet 80 is formed with a plurality of resin sheet-side flow channel grooves P2. Each resin sheet side channel groove P2 is paired with each of the channel grooves (hereinafter referred to as “separator side channel grooves”) P1 on the anode side separator 50 side, and the anode side gas diffusion layer 33 is disposed. A communication hole 90 connecting the internal space SP and the fuel gas inlet manifold 62 is formed.

図示するように、樹脂シート側流路溝P2は、カソード側セパレータ40からアノード側セパレータ50に向かう方向に広くなるテーパ形状の流路断面を有する。カソード側セパレータ40からアノード側セパレータ50に向かう方向とは、積層方向Xにおける図中の下側から上側に向かう方向である。樹脂シート側流路溝P2のアノード側セパレータ50側、すなわち、図中の上側は開いた状態(開放された状態)であり、樹脂シート側流路溝P2のカソード側セパレータ40側、すなわち、図中の下側は、薄膜層80aによって閉じた状態である。   As shown in the figure, the resin sheet-side flow channel P2 has a taper-shaped flow channel cross section that widens in the direction from the cathode separator 40 toward the anode separator 50. The direction from the cathode side separator 40 to the anode side separator 50 is a direction from the lower side to the upper side in the drawing in the stacking direction X. The anode side separator 50 side of the resin sheet side flow channel P2, that is, the upper side in the drawing is in an open state (opened state), and the cathode side separator 40 side of the resin sheet side flow channel P2 is shown. The lower side in the state is closed by the thin film layer 80a.

各セパレータ40,50の間に配置された樹脂シート80は、セル接合時において塗布後、熱と荷重を付与することで、表層部が溶融し接着機能を発揮する。図4に示すように、セル接合前には、カソード側セパレータ40の表面と樹脂シート側流路溝P2とは連通した状態、すなわち、カソード側セパレータ40は樹脂シート側流路溝P2側に露出した状態であるが、接合の際に付与する熱量、荷重、接着時間を、セパレータ40,50と樹脂シート80との間を単に接着するだけの場合に比べて大きくすることで、樹脂シート80の表層部分がより溶け出すようにして、薄膜層80a(図3)を形成することができる。この結果、カソード側セパレータ40の樹脂シート側流路溝P2に連通する部分を、薄膜層80aによって覆うことができる。薄膜層80aは、樹脂シート80と同じ材料で形成される。本実施形態では、薄膜層80aの厚さが数十μmとなるように、熱量、荷重、接着時間を調整した。こうして形成された薄膜層80aは、撥水性を有する。   The resin sheet 80 disposed between the separators 40 and 50 is heated and applied with a load after application at the time of cell bonding, so that the surface layer portion melts and exhibits an adhesive function. As shown in FIG. 4, before the cell bonding, the surface of the cathode separator 40 and the resin sheet side flow channel P2 are in communication with each other, that is, the cathode side separator 40 is exposed to the resin sheet side flow channel P2 side. In this state, the amount of heat, load, and bonding time applied at the time of bonding are increased compared to the case of simply bonding between the separators 40 and 50 and the resin sheet 80. The thin film layer 80a (FIG. 3) can be formed such that the surface layer portion is more dissolved. As a result, the portion of the cathode separator 40 that communicates with the resin sheet side flow channel P2 can be covered with the thin film layer 80a. The thin film layer 80a is formed of the same material as the resin sheet 80. In the present embodiment, the amount of heat, the load, and the bonding time are adjusted so that the thickness of the thin film layer 80a is several tens of μm. The thin film layer 80a thus formed has water repellency.

図3に示した断面形状は、連通孔90の主要部の構成であり、連通孔90における、アノード側ガス拡散層33が配置される内部空間SPに近い側の部分では、口径のサイズが小さくなって内部空間SPに接続される。   The cross-sectional shape shown in FIG. 3 is the configuration of the main part of the communication hole 90, and the size of the aperture is small in the part of the communication hole 90 on the side close to the internal space SP where the anode-side gas diffusion layer 33 is arranged. And connected to the internal space SP.

図2に示すように、燃料ガス出口マニホールド64側にも、凸部50nが設けられている。凸部50nは、前述した燃料ガス入口マニホールド62の凸部50mと同じ形状であり、アノード側ガス拡散層33が配置される内部空間と燃料ガス出口マニホールド64との間には、前述した連通孔90と同様の構成の連通孔が設けられている。また、酸化剤ガス入口マニホールド72とカソード側ガス拡散層32配置される内部空間との間、およびカソード側ガス拡散層32配置される内部空間と酸化剤ガス出口マニホールド74との間にも、同様の構成の連通孔が設けられている。   As shown in FIG. 2, a convex portion 50n is also provided on the fuel gas outlet manifold 64 side. The protrusion 50n has the same shape as the protrusion 50m of the fuel gas inlet manifold 62 described above, and the communication hole described above is provided between the internal space in which the anode gas diffusion layer 33 is disposed and the fuel gas outlet manifold 64. A communication hole having the same configuration as that of 90 is provided. The same applies between the oxidant gas inlet manifold 72 and the internal space where the cathode side gas diffusion layer 32 is disposed, and between the internal space where the cathode side gas diffusion layer 32 is disposed and the oxidant gas outlet manifold 74. The communication hole of the structure is provided.

以上のように構成された燃料電池スタック100では、アノード側セパレータ50が[発明の概要]の欄に記載した本発明の一形態における「第1のセパレータ」に相当し、カソード側セパレータ40が「第2のセパレータ」に相当し、アノード側ガス拡散層33が「第1のガス拡散層」に相当し、カソード側ガス拡散層32が「第2のガス拡散層」に相当する。   In the fuel cell stack 100 configured as described above, the anode-side separator 50 corresponds to the “first separator” in one embodiment of the present invention described in the “Summary of the Invention” section, and the cathode-side separator 40 is “ The anode-side gas diffusion layer 33 corresponds to a “first gas diffusion layer”, and the cathode-side gas diffusion layer 32 corresponds to a “second gas diffusion layer”.

以上詳述したように、本実施形態の燃料電池スタック100によれば、アノード側ガス拡散層33が配置される内部空間SP(図1)と燃料ガス入口マニホールド62との間が、連通孔90によって結ばれる。連通孔90の一部は、樹脂シート80に設けられた樹脂シート側流路溝P2によって構成されるが、この樹脂シート側流路溝P2は、カソード側セパレータ40からアノード側セパレータ50に向かう方向に広くなるテーパ形状の流路断面を有し、アノード側セパレータ50側は開いた形状となっている。その上、アノード側セパレータ50は親水性を有し、樹脂シート80は撥水性を有することから、MEGA30で発生した生成水がアノード側セパレータ50側に偏り易い。   As described above in detail, according to the fuel cell stack 100 of the present embodiment, the communication hole 90 is provided between the internal space SP (FIG. 1) in which the anode side gas diffusion layer 33 is disposed and the fuel gas inlet manifold 62. Tied by. A part of the communication hole 90 is constituted by a resin sheet side flow channel P2 provided in the resin sheet 80. The resin sheet side flow channel P2 is directed from the cathode side separator 40 toward the anode side separator 50. The anode-side separator 50 side has an open shape. In addition, since the anode-side separator 50 has hydrophilicity and the resin sheet 80 has water repellency, the generated water generated in the MEGA 30 tends to be biased toward the anode-side separator 50 side.

図5は、発電後における燃料電池セル140のA−A断面を示す説明図である。燃料電池スタック100の発電後においては、生成水Wは、アノード側セパレータ50側に偏り、セパレータ側流路溝P1内に保持される。このため、樹脂シート80に形成された樹脂シート側流路溝P2は十分に開通した状態となる。したがって、燃料電池システム10の氷点下始動時において、連通孔90が閉塞されてしまうことがないことから、始動性を向上することができる。また、部品点数を増加することなく始動性の向上を図ることできることから、部品点数の削減、生産性の向上を図ることができる。   FIG. 5 is an explanatory diagram showing an AA cross section of the fuel battery cell 140 after power generation. After the power generation of the fuel cell stack 100, the generated water W is biased toward the anode-side separator 50 and is held in the separator-side flow channel P1. For this reason, the resin sheet side flow channel P2 formed in the resin sheet 80 is in a sufficiently opened state. Therefore, when the fuel cell system 10 is started below the freezing point, the communication hole 90 is not blocked, so that the startability can be improved. In addition, since the startability can be improved without increasing the number of parts, the number of parts can be reduced and the productivity can be improved.

図6は、参考例としての燃料電池セル940の要部断面図である。要部断面は、第1実施形態のA−A断面に相当する。参考例の燃料電池セル900では、アノード側セパレータ950とカソード側セパレータ940との間に樹脂シート980が配置されており、樹脂シート980に設けられた樹脂シート側流路溝P92は矩形状の流路断面を有する。樹脂シート側流路溝P92のアノード側セパレータ950側は開いており、樹脂シート側流路溝P92のカソード側セパレータ940側も開いている。この構成によれば、樹脂シート側流路溝P92は、両セパレータ950,940の面に接した状態となり、両セパレータ50,40は親水性を有するため、発電後には、図中に示すように、生成水Wによって、連通孔が閉塞されてします。したがって、参考例の燃料電池セル900によれば、始動性が悪化する。   FIG. 6 is a cross-sectional view of a main part of a fuel cell 940 as a reference example. The cross section of the main part corresponds to the AA cross section of the first embodiment. In the fuel cell 900 of the reference example, the resin sheet 980 is disposed between the anode side separator 950 and the cathode side separator 940, and the resin sheet side flow channel P92 provided in the resin sheet 980 has a rectangular flow shape. It has a road cross section. The anode side separator 950 side of the resin sheet side flow channel P92 is open, and the cathode side separator 940 side of the resin sheet side flow channel P92 is also open. According to this configuration, the resin sheet side channel groove P92 is in contact with the surfaces of both separators 950 and 940, and both separators 50 and 40 have hydrophilicity. The communication hole is blocked by the generated water W. Therefore, according to the fuel cell 900 of the reference example, the startability is deteriorated.

B.第2実施形態:
図7は、第2実施形態における燃料電池セル240の断面を示す説明図である。この断面は、図3に示したA−A断面と同じ位置の断面を示すものである。第2実施形態の燃料電池セル240は、第1実施形態の燃料電池セル140(図3)と比較して、樹脂シート280に設けられた樹脂シート側流路溝P22の構成が相違し、残余の点で一致する。第2実施形態において第1実施形態と同一の構成要素については、第1実施形態と同一の符号を付けて説明を省略する。
B. Second embodiment:
FIG. 7 is an explanatory view showing a cross section of the fuel battery cell 240 in the second embodiment. This cross section shows a cross section at the same position as the AA cross section shown in FIG. The fuel cell 240 of the second embodiment is different from the fuel cell 140 (FIG. 3) of the first embodiment in the configuration of the resin sheet side flow channel P22 provided in the resin sheet 280, and the remaining Match in terms of. In the second embodiment, the same components as those of the first embodiment are denoted by the same reference numerals as those of the first embodiment, and description thereof is omitted.

第1実施形態における樹脂シート側流路溝P2は、カソード側セパレータ40からアノード側セパレータ50に向かう方向に広くなるテーパ形状の流路断面を有し、アノード側セパレータ50側は開いた形状であり、カソード側セパレータ40側は薄膜層80aで覆われた状態である。これに対して、図7に示すように、第2実施形態における樹脂シート側流路溝P22は、カソード側セパレータ40からアノード側セパレータ50に向かう方向に広くなるテーパ形状の流路断面を有し、アノード側セパレータ50側もカソード側セパレータ40側も開いた形状となっている。   The resin sheet side channel groove P2 in the first embodiment has a tapered channel cross section that widens in the direction from the cathode side separator 40 to the anode side separator 50, and the anode side separator 50 side is open. The cathode separator 40 side is covered with the thin film layer 80a. On the other hand, as shown in FIG. 7, the resin sheet side flow channel groove P <b> 22 in the second embodiment has a taper-shaped flow channel cross section that widens in the direction from the cathode side separator 40 to the anode side separator 50. The anode side separator 50 side and the cathode side separator 40 side are open.

第2実施形態における燃料電池セル240では、樹脂シート側流路溝P92は、両セパレータ40,50の面に接した状態となるが、カソード側セパレータ40からアノード側セパレータ50に向かう方向に広くなるテーパ形状の流路断面を有することから、カソード側セパレータ40側では親水性となる接触面積を減らすことができる。このために、第2実施形態における燃料電池セル240では、生成水がアノード側セパレータ50側に偏り易くなり、第1実施形態と同様に、排水性を向上することができる。   In the fuel cell 240 according to the second embodiment, the resin sheet side flow channel P92 is in contact with the surfaces of both separators 40 and 50, but widens in the direction from the cathode side separator 40 toward the anode side separator 50. Since it has a tapered channel cross section, the contact area that becomes hydrophilic on the cathode separator 40 side can be reduced. For this reason, in the fuel cell 240 in the second embodiment, the generated water tends to be biased toward the anode separator 50 side, and the drainage can be improved as in the first embodiment.

本発明は、上述の実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、前述した各実施形態における構成要素の中の、独立請求項で記載された要素以外の要素は、付加的な要素であり、適宜省略可能である。   The present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be realized with various configurations without departing from the spirit of the present invention. For example, the technical features in the embodiments corresponding to the technical features in each embodiment described in the summary section of the invention are intended to solve part or all of the above-described problems, or one of the above-described effects. In order to achieve part or all, replacement or combination can be appropriately performed. Moreover, elements other than the elements described in the independent claims among the constituent elements in the respective embodiments described above are additional elements and can be omitted as appropriate.

10…燃料電池システム
30…膜電極ガス拡散層接合体(MEGA)
31…膜電極接合体(MEA)
32…カソード側ガス拡散層
33…アノード側ガス拡散層
40…カソード側セパレータ
42…酸化剤ガス流路溝
50…アノード側セパレータ
52…燃料ガス流路溝
54…冷却媒体流路溝
62…燃料ガス入口マニホールド
64…燃料ガス出口マニホールド
72…酸化剤ガス入口マニホールド
74…酸化剤ガス出口マニホールド
76…冷却媒体入口マニホールド
78…冷却媒体出口マニホールド
80…樹脂シート
80a…薄膜層
90…連通孔
100…燃料電池スタック
110…エンドプレート
120…絶縁板
130…集電板
140…燃料電池セル
150…水素タンク
151…シャットバルブ
152…レギュレータ
153…配管
154…排出配管
160…エアポンプ
161…配管
163…排出配管
170…ラジエータ
171…ウォーターポンプ
172…配管
173…配管
190…冷却媒体流路面
240…燃料電池セル
280…樹脂シート
SP…アノード側ガス拡散層が配置される内部空間
W…生成水
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Fuel cell system 30 ... Membrane electrode gas diffusion layer assembly (MEGA)
31 ... Membrane electrode assembly (MEA)
32 ... Cathode side gas diffusion layer 33 ... Anode side gas diffusion layer 40 ... Cathode side separator 42 ... Oxidant gas passage groove 50 ... Anode side separator 52 ... Fuel gas passage groove 54 ... Cooling medium passage groove 62 ... Fuel gas Inlet manifold 64 ... Fuel gas outlet manifold 72 ... Oxidant gas inlet manifold 74 ... Oxidant gas outlet manifold 76 ... Cooling medium inlet manifold 78 ... Cooling medium outlet manifold 80 ... Resin sheet 80a ... Thin film layer 90 ... Communication hole 100 ... Fuel cell Stack 110 ... End plate 120 ... Insulating plate 130 ... Current collecting plate 140 ... Fuel cell 150 ... Hydrogen tank 151 ... Shut valve 152 ... Regulator 153 ... Piping 154 ... Exhaust piping 160 ... Air pump 161 ... Piping 163 ... Exhaust piping 170 ... Radiator 171 ... Otaponpu 172 ... pipe 173 ... pipe 190 ... cooling medium flow path 240 ... fuel cell 280 ... resin sheet SP ... internal space W ... generated water anode gas diffusion layer is disposed

Claims (1)

燃料電池であって、
膜電極接合体と、前記膜電極接合体の両側に配置された第1および第2のガス拡散層と、を有する発電モジュールと、
前記発電モジュールの前記第1のガス拡散層側に配置された第1のセパレータと、
前記発電モジュールの前記第2のガス拡散層側に配置された第2のセパレータと、
前記第1のセパレータと前記第2のセパレータとの間における前記発電モジュールの外側に配置され、前記第1のセパレータと前記第2のセパレータとの間をシールする樹脂シートと、
を備え、
前記第1のセパレータと前記樹脂シートと前記第2のセパレータとのそれぞれは、前記発電モジュールに反応ガスを分配するためのマニホールドを構成するマニホールド孔を備え、
前記樹脂シートは、前記第1のガス拡散層が配置される内部空間と前記マニホールドとを連通するための流路溝を備え、
前記流路溝は、
前記第2のセパレータから前記第1のセパレータに向かう方向に広くなるテーパ形状の流路断面を有し、前記第1のセパレータ側が開いた形状である、
燃料電池。
A fuel cell,
A power generation module having a membrane electrode assembly, and first and second gas diffusion layers disposed on both sides of the membrane electrode assembly,
A first separator disposed on the first gas diffusion layer side of the power generation module;
A second separator disposed on the second gas diffusion layer side of the power generation module;
A resin sheet that is disposed outside the power generation module between the first separator and the second separator, and seals between the first separator and the second separator;
With
Each of the first separator, the resin sheet, and the second separator includes a manifold hole that constitutes a manifold for distributing reaction gas to the power generation module,
The resin sheet includes a channel groove for communicating the internal space in which the first gas diffusion layer is disposed and the manifold.
The channel groove is
It has a tapered channel cross section that widens in the direction from the second separator toward the first separator, and the first separator side is open.
Fuel cell.
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