JP2019125530A - Fuel cell stack - Google Patents

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Abstract

To provide a fuel cell stack with which it is possible to supply a reaction gas and a coolant separately, and which suppresses an increase in size in a direction of lamination.SOLUTION: Protrusions 40 and 50 protruding in a direction opposite a membrane electrode assembly 20 and a plurality of recesses 42 and 52 between the protrusions of a cathode separator 28c and an anode separator 28a are provided from one end side to the other end side, and a plurality of recesses 44 and 54 shallower than heights of the protrusions are provided from one end side to the other end side. The protrusion 40, except the recess 44, of one adjacent cathode separator and the production 50, except the recess 54, of the other adjacent anode separator are brought into contact with each other. An oxidant gas passage 46 through which reaction gas flows and a fuel gas passage 56 are defined by the protrusions of the cathode and the anode separators, and a coolant passage 60 through which a coolant flows in a direction crossing the reaction gas is defined by the recess 44 of one adjacent cathode separator and the recess 54 of the other adjacent anode separator.SELECTED DRAWING: Figure 2

Description

本発明は、燃料電池スタックに関する。   The present invention relates to a fuel cell stack.

膜電極接合体をセパレータで挟持した燃料電池が知られている。このような燃料電池として、冷却に空気を用いた空冷式の燃料電池がある。特許文献１には、膜電極接合体側の面に反応用の空気流路が形成され、反対側の面に冷却用の空気流路が形成されたカソードセパレータを用いた空冷式の燃料電池が記載されている。特許文献２には、反応用の空気と冷却用の空気とが別々に供給される空冷式の燃料電池が記載されている。   There is known a fuel cell in which a membrane electrode assembly is sandwiched by separators. As such a fuel cell, there is an air-cooled fuel cell using air for cooling. Patent Document 1 describes an air-cooled fuel cell using a cathode separator in which an air flow path for reaction is formed on the surface on the membrane electrode assembly side and an air flow path for cooling is formed on the opposite surface. It is done. Patent Document 2 describes an air-cooled fuel cell in which reaction air and cooling air are separately supplied.

特表２０１４−５２６７８８号公報Japanese Patent Application Publication No. 2014-526788 特開昭６２−１７９６１号公報JP-A-62-17961

特許文献１に記載の燃料電池では、冷却性能を高めるために冷却用の空気を多く流すと、反応用の空気も多く流れることになり、その結果、膜電極接合体が乾燥し易くなってしまう。そこで、特許文献２のように、反応用の空気と冷却用の空気とを別々に供給することが好ましい。しかしながら、特許文献２では、反応用の空気と冷却用の空気とを別々に供給する具体的な構成が開示されていない。一方で、燃料電池スタックは単セルが複数積層されたスタック構造であることから、積層方向の体格が大きくなり易い。   In the fuel cell described in Patent Document 1, when a large amount of cooling air is allowed to flow to enhance the cooling performance, a large amount of reaction air will also flow, and as a result, the membrane electrode assembly tends to be easily dried. . Therefore, as in Patent Document 2, it is preferable to separately supply air for reaction and air for cooling. However, Patent Document 2 does not disclose a specific configuration in which the reaction air and the cooling air are separately supplied. On the other hand, since the fuel cell stack has a stack structure in which a plurality of single cells are stacked, the size in the stacking direction tends to be large.

本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、反応ガスと冷媒とを別々に供給することが可能で、且つ、積層方向の体格の増大を抑制することが可能な燃料電池スタックを提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above problems, and provides a fuel cell stack capable of separately supplying a reaction gas and a refrigerant, and capable of suppressing an increase in size in the stacking direction. The purpose is

本発明は、膜電極接合体と前記膜電極接合体を挟持する第１セパレータ及び第２セパレータとを備えた単セルが複数積層され、反応ガスである燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池スタックであって、前記単セルの前記第１セパレータ及び前記第２セパレータは、金属板からなり、前記膜電極接合体とは反対側に突出した複数の凸部と前記複数の凸部の間の複数の第１凹部とが一端側から他端側にかけて延在して設けられ、且つ、前記複数の凸部に前記複数の凸部の高さよりも浅い複数の第２凹部が前記一端側から前記他端側にかけて間隔をあけて設けられていて、積層された複数の前記単セルのうちの隣接する単セルは、一方の単セルの前記第１セパレータに設けられた前記複数の凸部のうちの前記複数の第２凹部以外の部分と他方の単セルの前記第２セパレータに設けられた前記複数の凸部のうちの前記複数の第２凹部以外の部分とが接していて、前記単セルの前記第１セパレータ及び前記第２セパレータの前記複数の凸部によって前記一端側と前記他端側との間を前記反応ガスが流れる反応ガス流路が画定され、且つ、前記隣接する単セルの前記一方の単セルの前記第１セパレータの前記複数の第２凹部と前記他方の単セルの前記第２セパレータの前記複数の第２凹部とによって前記反応ガスと交差する方向に冷媒が流れる冷媒流路が画定されている、燃料電池スタックである。   In the present invention, a plurality of unit cells each including a membrane electrode assembly and a first separator and a second separator sandwiching the membrane electrode assembly are stacked, and an electrochemical reaction between a fuel gas as a reaction gas and an oxidant gas is performed. The first separator and the second separator of the unit cell are made of a metal plate, and a plurality of convex portions protruding to the side opposite to the membrane electrode assembly and the plurality of fuel cell stacks A plurality of first concave portions between the convex portions are provided extending from one end side to the other end side, and a plurality of second concave portions shallower than the height of the plurality of convex portions are provided in the plurality of convex portions. A plurality of the adjacent single cells of the plurality of stacked single cells are provided at intervals from the one end side to the other end side, and the plurality of the plurality of single cells are provided in the first separator of one single cell. Of the plurality of second concave A portion other than the plurality of convex portions provided in the second separator of the other single cell is in contact with a portion other than the plurality of second concave portions, and the first separator of the single cell and the other A reaction gas flow path through which the reaction gas flows is defined between the one end side and the other end side by the plurality of convex portions of the second separator, and the one of the single cells of the adjacent single cells is The plurality of second recesses of the first separator and the plurality of second recesses of the second separator of the other single cell define a refrigerant flow path in which the refrigerant flows in a direction intersecting the reaction gas. It is a fuel cell stack.

本発明によれば、反応ガスと冷媒とを別々に供給することができるとともに、燃料電池スタックの積層方向の体格の増大を抑制することができる。   According to the present invention, the reaction gas and the refrigerant can be separately supplied, and an increase in the physique in the stacking direction of the fuel cell stack can be suppressed.

図１は、実施例１に係る燃料電池スタックの斜視図である。FIG. 1 is a perspective view of a fuel cell stack according to a first embodiment. 図２は、実施例１に係る燃料電池スタックを構成する単セルの斜視図である。FIG. 2 is a perspective view of a unit cell of the fuel cell stack according to the first embodiment. 図３は、比較例１に係る燃料電池スタックを構成する単セルの斜視図である。FIG. 3 is a perspective view of a unit cell constituting a fuel cell stack according to Comparative Example 1. 図４は、カソードセパレータを示す平面図である。FIG. 4 is a plan view showing a cathode separator. 図５は、カソードセパレータの他の例を示す平面図である。FIG. 5 is a plan view showing another example of the cathode separator. 図６は、単セルの他の例を示す斜視図である。FIG. 6 is a perspective view showing another example of a single cell.

以下、図面を参照して、本発明の実施例について説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

図１は、実施例１に係る燃料電池スタックの斜視図である。図２は、実施例１に係る燃料電池スタックを構成する単セルの斜視図である。図１のように、実施例１の燃料電池スタック１００は、複数の単セル１０が積層されたスタック構造を有する。単セル１０は、反応ガスである燃料ガス（例えば水素）と酸化剤ガス（例えば空気）の供給を受け、これらの電気化学反応により発電する固体高分子形燃料電池である。なお、実施例１では、単セル１０を冷却する冷媒が空気である空冷式の燃料電池の場合を例に説明する。   FIG. 1 is a perspective view of a fuel cell stack according to a first embodiment. FIG. 2 is a perspective view of a unit cell of the fuel cell stack according to the first embodiment. As shown in FIG. 1, the fuel cell stack 100 of the first embodiment has a stack structure in which a plurality of single cells 10 are stacked. The unit cell 10 is a polymer electrolyte fuel cell which receives supply of a fuel gas (for example, hydrogen) which is a reaction gas and an oxidant gas (for example, air) and generates electric power by an electrochemical reaction of these. In the first embodiment, the case of an air-cooled fuel cell in which the refrigerant that cools the single cell 10 is air will be described as an example.

図２のように、単セル１０は、カソードセパレータ２８ｃ、膜電極ガス拡散層接合体（ＭＥＧＡ：Membrane Electrode Gas diffusion layer Assembly）３０、及びアノードセパレータ２８ａを備える。ＭＥＧＡ３０は、カソードセパレータ２８ｃとアノードセパレータ２８ａとによって挟持されている。   As shown in FIG. 2, the single cell 10 includes a cathode separator 28c, a membrane electrode gas diffusion layer assembly (MEGA) 30, and an anode separator 28a. The MEGA 30 is sandwiched between the cathode separator 28c and the anode separator 28a.

ＭＥＧＡ３０は、電解質膜２２、カソード触媒層２４ｃ、アノード触媒層２４ａ、カソードガス拡散層２６ｃ、及びアノードガス拡散層２６ａを備える。カソード触媒層２４ｃは電解質膜２２の一方の面に設けられ、アノード触媒層２４ａは電解質膜２２の他方の面に設けられている。これにより、膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）２０が形成されている。電解質膜２２は、例えばスルホン酸基を有するフッ素系樹脂材料又は炭化水素系樹脂材料で形成された固体高分子膜であり、湿潤状態において良好なプロトン伝導性を有する。カソード触媒層２４ｃ及びアノード触媒層２４ａは、例えば電気化学反応を進行する触媒（白金又は白金−コバルト合金など）を担持したカーボン粒子（カーボンブラックなど）と、スルホン酸基を有する固体高分子であって湿潤状態で良好なプロトン伝導性を有するアイオノマーと、を含む。   The MEGA 30 includes an electrolyte membrane 22, a cathode catalyst layer 24c, an anode catalyst layer 24a, a cathode gas diffusion layer 26c, and an anode gas diffusion layer 26a. The cathode catalyst layer 24 c is provided on one side of the electrolyte membrane 22, and the anode catalyst layer 24 a is provided on the other side of the electrolyte membrane 22. Thereby, a membrane electrode assembly (MEA: Membrane Electrode Assembly) 20 is formed. The electrolyte membrane 22 is, for example, a fluorine-based resin material having a sulfonic acid group or a solid polymer membrane formed of a hydrocarbon-based resin material, and has good proton conductivity in a wet state. The cathode catalyst layer 24c and the anode catalyst layer 24a are, for example, carbon particles (such as carbon black) carrying a catalyst (such as platinum or platinum-cobalt alloy) that promotes an electrochemical reaction, and a solid polymer having a sulfonic acid group. And an ionomer having good proton conductivity in the wet state.

カソードガス拡散層２６ｃとアノードガス拡散層２６ａは、ＭＥＡ２０の両側に配置され、ＭＥＡ２０を挟持している。カソードガス拡散層２６ｃ及びアノードガス拡散層２６ａは、ガス透過性及び電子伝導性を有する部材によって形成されていて、例えばカーボンクロス又はカーボンペーパなどの多孔質カーボン製部材によって形成されている。   The cathode gas diffusion layer 26 c and the anode gas diffusion layer 26 a are disposed on both sides of the MEA 20 and sandwich the MEA 20. The cathode gas diffusion layer 26c and the anode gas diffusion layer 26a are formed of a member having gas permeability and electron conductivity, and are formed of a porous carbon member such as carbon cloth or carbon paper, for example.

カソードセパレータ２８ｃ及びアノードセパレータ２８ａは、ガス遮断性及び電子伝導性を有する金属板によって形成されている。カソードセパレータ２８ｃ及びアノードセパレータ２８ａは、例えばプレス成型による曲げ加工によって凹凸形状が形成されたステンレス鋼、アルミニウム、又はチタンなどの金属板で形成されている。   The cathode separator 28c and the anode separator 28a are formed of a metal plate having gas barrier properties and electron conductivity. The cathode separator 28c and the anode separator 28a are formed of, for example, a metal plate such as stainless steel, aluminum, or titanium in which a concavo-convex shape is formed by bending by press molding.

カソードセパレータ２８ｃは、ＭＥＧＡ３０とは反対側に突出してＭＥＧＡ３０側に開口した複数の凸部４０と、複数の凸部４０の間であってＭＥＧＡ３０とは反対側に開口した複数の凹部４２と、を有する。複数の凸部４０と複数の凹部４２は、カソードセパレータ２８ｃの一端側（紙面手前側）から他端側（紙面奥側）にかけて直線状に延在している。ＭＥＧＡ３０とは反対側に突出した複数の凸部４０によって、ＭＥＧＡ３０に供給される反応用空気が流れる酸化剤ガス流路４６が画定されている。ＭＥＧＡ３０への反応用空気の供給量を考慮すると、凸部４０の幅は凹部４２の幅よりも広い場合が好ましい。   The cathode separator 28 c has a plurality of convex portions 40 projecting to the opposite side to the MEGA 30 and opened to the MEGA 30 side, and a plurality of concave portions 42 opened between the plurality of convex portions 40 and opposite to the MEGA 30. Have. The plurality of projections 40 and the plurality of recesses 42 extend linearly from one end side (front side in the drawing) of the cathode separator 28 c to the other end side (rear side in the drawing). An oxidant gas flow path 46 through which the reaction air supplied to the MEGA 30 flows is defined by the plurality of convex portions 40 protruding to the opposite side to the MEGA 30. In consideration of the amount of reaction air supplied to the MEGA 30, the width of the convex portion 40 is preferably larger than the width of the concave portion 42.

アノードセパレータ２８ａは、ＭＥＧＡ３０とは反対側に突出してＭＥＧＡ３０側に開口した複数の凸部５０と、複数の凸部５０の間であってＭＥＧＡ３０とは反対側に開口した複数の凹部５２と、を有する。複数の凸部５０と複数の凹部５２は、アノードセパレータ２８ａの一端側（紙面手前側）から他端側（紙面奥側）にかけて直線状に延在している。複数の凸部５０及び複数の凹部５２は、カソードセパレータ２８ｃの複数の凸部４０及び複数の凹部４２と同じ方向に延在している。ＭＥＧＡ３０とは反対側に突出した複数の凸部５０によって、ＭＥＧＡ３０に供給される水素が流れる燃料ガス流路５６が画定されている。ＭＥＧＡ３０への水素の供給量を考慮すると、凸部５０の幅は凹部５２の幅よりも広い場合が好ましい。   The anode separator 28 a includes a plurality of convex portions 50 protruding to the opposite side to the MEGA 30 and opened to the MEGA 30 side, and a plurality of concave portions 52 opened between the plurality of convex portions 50 and opposite to the MEGA 30. Have. The plurality of projections 50 and the plurality of recesses 52 extend linearly from one end side (front side in the drawing) to the other end side (back side in the drawing) of the anode separator 28a. The plurality of protrusions 50 and the plurality of recesses 52 extend in the same direction as the plurality of protrusions 40 and the plurality of recesses 42 of the cathode separator 28 c. The fuel gas flow path 56 through which the hydrogen supplied to the MEGA 30 flows is defined by the plurality of convex portions 50 protruding to the opposite side to the MEGA 30. In consideration of the amount of hydrogen supplied to the MEGA 30, the width of the protrusion 50 is preferably larger than the width of the recess 52.

酸化剤ガス流路４６を流れる反応用空気と燃料ガス流路５６を流れる水素とは、同じ向きに流れてもよいが、図２のように、反対向きに流れることが好ましい。すなわち、酸化剤ガス流路４６を流れる反応用空気と燃料ガス流路５６を流れる水素とは、対向流になっていることが好ましい。これにより、反応用空気と水素との反応により生成される生成水のＭＥＧＡ３０を介した内部循環を促進させることができ、発電性能を向上させることができる。   The reaction air flowing through the oxidant gas flow channel 46 and the hydrogen flowing through the fuel gas flow channel 56 may flow in the same direction, but preferably flow in the opposite direction as shown in FIG. That is, it is preferable that the reaction air flowing in the oxidant gas flow channel 46 and the hydrogen flowing in the fuel gas flow channel 56 be countercurrent. As a result, the internal circulation of the generated water produced by the reaction of reaction air with hydrogen can be promoted through the MEGA 30, and the power generation performance can be improved.

カソードセパレータ２８ｃは、複数の凸部４０にカソードセパレータ２８ｃの一端側（紙面手前側）から他端側（紙面奥側）にかけて間隔をあけて複数の凹部４４が設けられている。凹部４４の深さは、凸部４０の高さよりも小さい。したがって、凹部４４の下側にも凸部４０による空間が形成されている。同様に、アノードセパレータ２８ａは、複数の凸部５０にアノードセパレータ２８ａの一端側（紙面手前側）から他端側（紙面奥側）にかけて間隔をあけて複数の凹部５４が設けられている。凹部５４の深さは、凸部５０の高さよりも小さい。したがって、凹部５４の下側にも凸部５０による空間が形成されている。   The cathode separator 28c is provided with a plurality of recesses 44 at intervals from one end side (front side in the drawing) to the other end (back side in the drawing) of the cathode separator 28c. The depth of the recess 44 is smaller than the height of the protrusion 40. Therefore, the space by the convex portion 40 is also formed below the concave portion 44. Similarly, in the anode separator 28a, a plurality of convex portions 50 are provided with a plurality of recesses 54 at intervals from one end side (front side in the drawing) to the other end (back side in the drawing) of the anode separator 28a. The depth of the recess 54 is smaller than the height of the protrusion 50. Therefore, the space by the convex portion 50 is also formed below the concave portion 54.

図１及び図２のように、積層された複数の単セル１０のうちの隣接する単セル１０は、一方の単セル１０のカソードセパレータ２８ｃと他方の単セル１０のアノードセパレータ２８ａとが接している。すなわち、一方の単セル１０のカソードセパレータ２８ｃの複数の凸部４０のうちの複数の凹部４４以外の部分と、他方の単セル１０のアノードセパレータ２８ａの複数の凸部５０のうちの複数の凹部５４以外の部分とが、接している。   As shown in FIG. 1 and FIG. 2, the adjacent single cells 10 of the stacked single cells 10 are in contact with the cathode separator 28 c of one single cell 10 and the anode separator 28 a of the other single cell 10. There is. That is, a portion other than the plurality of concave portions 44 of the plurality of convex portions 40 of the cathode separator 28 c of one unit cell 10 and a plurality of concave portions of the plurality of convex portions 50 of the anode separator 28 a of the other single cell 10 Parts other than 54 are in contact.

カソードセパレータ２８ｃの複数の凸部４０に設けられた複数の凹部４４と、アノードセパレータ２８ａの複数の凸部５０に設けられた複数の凹部５４と、によって、冷却用空気が流れる冷媒流路６０が画定されている。したがって、冷媒流路６０を流れる冷却用空気は、酸化剤ガス流路４６を流れる反応用空気及び燃料ガス流路５６を流れる水素に対して交差する方向に流れる。   The refrigerant flow path 60 through which the cooling air flows is formed by the plurality of concave portions 44 provided in the plurality of convex portions 40 of the cathode separator 28c and the plurality of concave portions 54 provided in the plurality of convex portions 50 of the anode separator 28a. It is defined. Therefore, the cooling air flowing through the refrigerant flow channel 60 flows in a direction intersecting the hydrogen flowing through the reaction air flowing through the oxidant gas flow channel 46 and the fuel gas flow channel 56.

図３は、比較例１に係る燃料電池スタックを構成する単セルの斜視図である。図３のように、比較例１の単セル８０では、カソードセパレータ２８ｃの複数の凸部４０に凹部４４が設けられてなく、且つ、アノードセパレータ２８ａの複数の凸部５０に凹部５４が設けられていない。また、カソードセパレータ２８ｃの複数の凸部４０及び複数の凹部４２と、アノードセパレータ２８ａの複数の凸部５０及び複数の凹部５２とは、交差する方向に延在している。カソードセパレータ２８ｃのＭＥＧＡ３０とは反対側に突出した複数の凸部４０によって、ＭＥＧＡ３０に供給される反応用空気が流れる酸化剤ガス流路４６が画定されている。カソードセパレータ２８ｃの複数の凸部４０の間に設けられた複数の凹部４２によって、ＭＥＧＡ３０を冷却する冷却用空気が流れる冷媒流路６０が画定されている。その他の構成は、実施例１と同じであるため説明を省略する。   FIG. 3 is a perspective view of a unit cell constituting a fuel cell stack according to Comparative Example 1. As shown in FIG. 3, in the single cell 80 of Comparative Example 1, the concave portions 44 are not provided in the plurality of convex portions 40 of the cathode separator 28 c, and the concave portions 54 are provided in the plurality of convex portions 50 of the anode separator 28 a. Not. Further, the plurality of convex portions 40 and the plurality of concave portions 42 of the cathode separator 28 c, and the plurality of convex portions 50 and the plurality of concave portions 52 of the anode separator 28 a extend in the intersecting direction. An oxidant gas flow path 46 through which reaction air supplied to the MEGA 30 flows is defined by a plurality of convex portions 40 protruding to the opposite side of the cathode separator 28 c from the MEGA 30. A plurality of concave portions 42 provided between the plurality of convex portions 40 of the cathode separator 28 c define a refrigerant flow path 60 through which cooling air for cooling the MEGA 30 flows. The other configuration is the same as that of the first embodiment, and hence the description is omitted.

冷媒流路６０の出口側では冷却用空気の温度が高くなることからＭＥＡ２０の温度が高くなり、ＭＥＡ２０が乾燥し易くなる。ＭＥＡ２０の乾燥を抑制するために冷却用空気を多く流してＭＥＡ２０が高温になることを抑制することが考えられるが、この場合、比較例１では、反応用空気も多く流れることになる。このため、反応用空気によって持ち去られる生成水の量が増えてしまい、ＭＥＡ２０の乾燥を抑制することが難しい。   Since the temperature of the cooling air rises on the outlet side of the refrigerant flow passage 60, the temperature of the MEA 20 rises, and the MEA 20 becomes easy to dry. In order to suppress the drying of the MEA 20, it is conceivable to flow a large amount of cooling air to suppress the MEA 20 from becoming high temperature. In this case, in the comparative example 1, a large amount of reaction air also flows. For this reason, the amount of generated water carried away by the reaction air increases, and it is difficult to suppress the drying of the MEA 20.

一方、実施例１によれば、図１及び図２のように、カソードセパレータ２８ｃは、金属板からなり、ＭＥＡ２０とは反対側に突出した複数の凸部４０と複数の凸部４０の間の複数の凹部４２とが設けられると共に、複数の凸部４０に複数の凹部４４が設けられている。同様に、アノードセパレータ２８ａは、金属板からなり、ＭＥＡ２０とは反対側に突出した複数の凸部５０と複数の凸部５０の間の複数の凹部５２とが設けられると共に、複数の凸部５０に複数の凹部５４が設けられている。カソードセパレータ２８ｃの複数の凸部４０によって酸化剤ガス流路４６が画定され、アノードセパレータ２８ａの複数の凸部５０によって燃料ガス流路５６が画定されている。また、隣接する単セル１０の一方の単セルのカソードセパレータ２８ｃの複数の凹部４４と他方の単セルのアノードセパレータ２８ａの複数の凹部５４とによって、反応ガスと交差する方向に冷却用空気が流れる冷媒流路６０が画定されている。   On the other hand, according to the first embodiment, as shown in FIGS. 1 and 2, the cathode separator 28 c is made of a metal plate, and between the plurality of projections 40 and the plurality of projections 40 protruding on the opposite side to the MEA 20. A plurality of recesses 42 are provided, and a plurality of recesses 44 are provided in the plurality of protrusions 40. Similarly, the anode separator 28 a is formed of a metal plate, and provided with a plurality of convex portions 50 protruding to the side opposite to the MEA 20 and a plurality of concave portions 52 between the plurality of convex portions 50. Are provided with a plurality of recesses 54. The plurality of projections 40 of the cathode separator 28c define an oxidant gas flow channel 46, and the plurality of projections 50 of the anode separator 28a define a fuel gas flow channel 56. Further, the cooling air flows in the direction intersecting the reaction gas by the plurality of recesses 44 of the cathode separator 28c of one unit cell of the adjacent unit cells 10 and the plurality of recesses 54 of the anode separator 28a of the other unit cell. A coolant channel 60 is defined.

これにより、酸化剤ガス流路４６と冷媒流路６０とが交差しているため、反応用空気と冷却用空気とを別々に供給することが可能となる。よって、反応用空気の流量を増やすことなく冷却用空気の流量を増やすことができるため、ＭＥＡ２０の乾燥を抑制することができる。また、カソードセパレータ２８ｃ及びアノードセパレータ２８ａは、金属板からなり、その一方の面に反応ガス流路（酸化剤ガス流路４６及び燃料ガス流路５６）が形成され、他方の面に冷媒流路６０が形成されている。このようなカソードセパレータ２８ｃ及びアノードセパレータ２８ａを備える単セル１０が積層されているため、燃料電池スタック１００の積層方向の体格の増大を抑制することができる。さらに、冷媒流路６０は、カソードセパレータ２８ｃに設けられた凹部４４とアノードセパレータ２８ａに設けられた凹部５４とで画定されている。これにより、例えばアノードセパレータ２８ａに凹部５４が設けられてなく、カソードセパレータ２８ｃに設けられた凹部４４のみで冷媒流路６０が画定されている場合と比較して、冷媒流路６０の断面積を大きくすることができ、圧力損失の増大を抑制することができる。なお、カソードセパレータ２８ｃに設けられた凹部４４のみで冷媒流路６０を画定する場合、プレス成型によって深い凹凸を形成することは難しい。   Thus, since the oxidant gas flow path 46 and the refrigerant flow path 60 intersect, it is possible to separately supply the reaction air and the cooling air. Therefore, the flow rate of the cooling air can be increased without increasing the flow rate of the reaction air, so that the drying of the MEA 20 can be suppressed. In addition, the cathode separator 28c and the anode separator 28a are made of a metal plate, and the reaction gas flow path (the oxidant gas flow path 46 and the fuel gas flow path 56) is formed on one side, and the refrigerant flow path is on the other side. 60 are formed. Since the unit cell 10 including the cathode separator 28c and the anode separator 28a is stacked, an increase in the physical size of the fuel cell stack 100 in the stacking direction can be suppressed. Further, the coolant channel 60 is defined by a recess 44 provided in the cathode separator 28 c and a recess 54 provided in the anode separator 28 a. Thereby, for example, the cross-sectional area of the coolant channel 60 is made smaller than in the case where the coolant channel 60 is defined only by the recess 44 provided in the cathode separator 28 c without providing the recess 54 in the anode separator 28 a. It can be made large and the increase in pressure loss can be suppressed. When the coolant channel 60 is defined only by the recess 44 provided in the cathode separator 28c, it is difficult to form deep irregularities by press molding.

図１及び図２のように、隣接する単セル１０の一方の単セルのカソードセパレータ２８ｃに設けられた凹部４４と他方の単セルのアノードセパレータ２８ａに設けられた凹部５４とは、互いの側面が一致している場合が好ましい。これにより、冷媒流路６０を流れる冷却用空気の圧力損失の増大を効果的に抑制できる。   As shown in FIGS. 1 and 2, the recess 44 provided in the cathode separator 28c of one single cell of the adjacent single cells 10 and the recess 54 provided in the anode separator 28a of the other single cell are side surfaces of each other. Preferably match. Thereby, an increase in pressure loss of the cooling air flowing through the refrigerant flow passage 60 can be effectively suppressed.

燃料電池スタック１００は、冷媒流路６０が車両の進行方向を向いて車両に搭載される場合が好ましい。これにより、車両の走行時の風及び／又はラジエターファンによる風を冷媒流路６０に流すことが可能となる。なお、冷媒流路６０が車両の進行方向に対して多少傾いていてもよい。例えば、冷媒流路６０が車両の進行方向に対して±４５°の範囲で傾いていてもよいし、±３０°の範囲で傾いていてもよい。   It is preferable that the fuel cell stack 100 be mounted on a vehicle with the refrigerant flow passage 60 facing the traveling direction of the vehicle. Thereby, it is possible to cause the wind at the time of traveling of the vehicle and / or the wind by the radiator fan to flow through the refrigerant flow path 60. The refrigerant passage 60 may be slightly inclined with respect to the traveling direction of the vehicle. For example, the refrigerant channel 60 may be inclined within a range of ± 45 ° with respect to the traveling direction of the vehicle, or may be inclined within a range of ± 30 °.

図２のように、カソードセパレータ２８ｃの長手方向に酸化剤ガス流路４６が延在し、アノードセパレータ２８ａの長手方向に燃料ガス流路５６が延在し、カソードセパレータ２８ｃの短手方向及びアノードセパレータ２８ａの短手方向に冷媒流路６０が延在することが好ましい。これにより、冷媒流路６０の流路長を短くできるため、冷却用空気の圧力損失を低減できる。   As shown in FIG. 2, the oxidant gas passage 46 extends in the longitudinal direction of the cathode separator 28c, the fuel gas passage 56 extends in the longitudinal direction of the anode separator 28a, and the lateral direction of the cathode separator 28c and the anode It is preferable that the refrigerant channel 60 extend in the short direction of the separator 28a. Thus, the flow path length of the refrigerant flow path 60 can be shortened, so that the pressure loss of the cooling air can be reduced.

図４は、カソードセパレータを示す平面図である。図４のように、カソードセパレータ２８ｃは、酸化剤ガス流路４６に供給される反応用空気が流れる酸化剤ガス供給マニホールド６２及び酸化剤ガス排出マニホールド６４を備える。また、カソードセパレータ２８ｃは、燃料ガス流路５６に供給される水素が流れる燃料ガス供給マニホールド７２及び燃料ガス排出マニホールド７４を備える。これにより、酸化剤ガス供給マニホールド６２に接続される配管に小型のエアコンプレッサなどを設置することで、冷却用空気とは分離して、反応用空気の流量を調整することが容易にできる。また、酸化剤ガス排出マニホールド６４に接続される配管に調圧弁を設置してもよい。これにより、酸化剤ガス流路４６を流れる反応用空気の圧力を調整することができ、酸素分圧を上げて発電性能を向上させることができる。   FIG. 4 is a plan view showing a cathode separator. As shown in FIG. 4, the cathode separator 28 c includes an oxidant gas supply manifold 62 and an oxidant gas discharge manifold 64 through which the reaction air supplied to the oxidant gas flow path 46 flows. In addition, the cathode separator 28 c includes a fuel gas supply manifold 72 and a fuel gas discharge manifold 74 through which hydrogen supplied to the fuel gas passage 56 flows. Thus, by installing a small air compressor or the like in the piping connected to the oxidant gas supply manifold 62, it is possible to easily adjust the flow rate of the reaction air separately from the cooling air. In addition, a pressure control valve may be installed in a pipe connected to the oxidant gas discharge manifold 64. As a result, the pressure of the reaction air flowing through the oxidant gas flow path 46 can be adjusted, and the oxygen partial pressure can be increased to improve the power generation performance.

図５は、カソードセパレータの他の例を示す平面図である。図５では、カソードセパレータ２８ｃは、酸化剤ガス流路４６の流路幅が、冷却用空気の入口側で出口側よりも広くなっている。その他の構成は、図４と同じである。冷却用空気の入口側の酸化剤ガス流路４６の流路幅を広くし、冷却用空気の出口側の酸化剤ガス流路４６の流路幅を狭くすることで、冷却用空気の入口側でのフラッディングを抑制できると共に、冷却用空気の出口側でのＭＥＡ２０の乾燥を抑制できる。これは、冷却用空気の入口側のＭＥＡ２０の温度が低いために生成水は液水の状態で多量に発生するが、酸化剤ガス流路４６の流路幅を広げて反応用空気を多く流すことで、生成水が反応用空気によって持ち去られるため、フラッディングを抑制できるものである。また、冷却用空気の出口側ではＭＥＡ２０の温度が高いためにＭＥＡ２０は乾燥し易いが、酸化剤ガス流路４６の流路幅を狭くして反応用空気の流量を少なくすることで、生成水の持ち去りが抑制され、その結果、ＭＥＡ２０の乾燥を抑制できるものである。   FIG. 5 is a plan view showing another example of the cathode separator. In FIG. 5, in the cathode separator 28c, the channel width of the oxidant gas channel 46 is wider at the inlet side of the cooling air than at the outlet side. The other configuration is the same as in FIG. The inlet width side of the cooling air by widening the channel width of the oxidizing gas channel 46 at the inlet side of the cooling air and narrowing the channel width of the oxidizing gas channel 46 at the outlet side of the cooling air While suppressing the drying of the MEA 20 at the outlet side of the cooling air. This is because the temperature of the MEA 20 on the inlet side of the cooling air is low, and a large amount of generated water is generated in the liquid water state, but the flow path width of the oxidant gas flow path 46 is expanded to flow a large amount of reaction air Because the generated water is carried away by the reaction air, the flooding can be suppressed. Further, although the MEA 20 is easily dried on the outlet side of the cooling air because the temperature of the MEA 20 is high, the flow path width of the oxidant gas flow path 46 is narrowed to reduce the flow rate of the reaction air. Removal of the MEA 20 is suppressed, and as a result, drying of the MEA 20 can be suppressed.

図６は、単セルの他の例を示す斜視図である。図６のように、単セル１０ａでは、カソードセパレータ２８ｃの複数の凸部４０に設けられた複数の凹部４４は、凸部４０が延在する方向に交差する方向で一直線上に並んで設けられていない。複数の凸部４０のうちの隣接する凸部４０それぞれに設けられた凹部４４は、凸部４０が延在する方向にずれている。アノードセパレータ２８ａの複数の凸部５０に設けられた複数の凹部５４においても同様である。その他の構成は、図２と同じであるため説明を省略する。   FIG. 6 is a perspective view showing another example of a single cell. As shown in FIG. 6, in the single cell 10a, the plurality of concave portions 44 provided in the plurality of convex portions 40 of the cathode separator 28c are provided on a straight line in a direction intersecting the direction in which the convex portions 40 extend. Not. The recessed part 44 provided in each adjacent convex part 40 among several convex parts 40 has shifted | deviated to the direction to which the convex part 40 extends. The same applies to the plurality of concave portions 54 provided in the plurality of convex portions 50 of the anode separator 28a. The other configuration is the same as that shown in FIG.

図２では、カソードセパレータ２８ｃの複数の凸部４０に設けられた凹部４４は凸部４０が延在する方向に交差する方向で一直線上に並んで設けられ、アノードセパレータ２８ａの複数の凸部５０に設けられた凹部５４は凸部５０が延在する方向に交差する方向で一直線上に並んで設けられていた。しかしながら、この場合に限られず、図６のように、複数の凸部４０のうちの隣接する凸部４０に設けられた凹部４４は凸部４０が延在する方向にずれていて、複数の凸部５０のうちの隣接する凸部５０に設けられた凹部５４は凸部５０が延在する方向にずれていてもよい。これにより、冷却用空気が凸部４０及び５０に当たるようになるため、冷却性能が向上する。   In FIG. 2, the concave portions 44 provided in the plurality of convex portions 40 of the cathode separator 28 c are provided on a straight line in a direction crossing the direction in which the convex portions 40 extend, and the plurality of convex portions 50 of the anode separator 28 a The recessed portions 54 provided in the above-described embodiment are provided side by side in a straight line in a direction crossing the direction in which the protruding portions 50 extend. However, the present invention is not limited to this case, and as shown in FIG. 6, the concave portions 44 provided in the adjacent convex portion 40 among the plurality of convex portions 40 are shifted in the extending direction of the convex portion 40. The concave portion 54 provided in the adjacent convex portion 50 of the portion 50 may be shifted in the direction in which the convex portion 50 extends. As a result, the cooling air comes into contact with the protrusions 40 and 50, thereby improving the cooling performance.

なお、凸部４０の延在方向における凹部４４の長さと隣接する凹部４４の間の凸部４０の長さとは、同じであってもよいし、異なっていてもよい。同様に、凸部５０の延在方向における凹部５４の長さと隣接する凹部５４の間の凸部５０の長さとは、同じであってもよいし、異なっていてもよい。冷却用空気の圧力損失を低減させるために、凸部４０の延在方向における凹部４４の長さが隣接する凹部４４の間の凸部４０の長さに比べて長く、凸部５０の延在方向における凹部５４の長さが隣接する凹部５４の間の凸部５０の長さに比べて長くてもよい。   The length of the recess 44 in the extension direction of the protrusion 40 and the length of the protrusion 40 between the adjacent recesses 44 may be the same or different. Similarly, the length of the recess 54 in the extension direction of the protrusion 50 and the length of the protrusion 50 between the adjacent recesses 54 may be the same or different. In order to reduce the pressure loss of the cooling air, the length of the recess 44 in the extension direction of the protrusion 40 is longer than the length of the protrusion 40 between the adjacent recesses 44 and the extension of the protrusion 50 The length of the recesses 54 in the direction may be longer than the length of the projections 50 between the adjacent recesses 54.

なお、実施例１では、空冷式の燃料電池の場合を例に説明したが、水冷式の燃料電池の場合でもよい。しかしながら、空冷式の燃料電池では、冷却に用いる空気の熱伝達効率が冷却水に比べて低いことから、大流量の冷却用空気を流す場合があるため、ＭＥＡ２０に乾燥が起こり易い。したがって、本発明を空冷式の燃料電池に適用することが好ましい。   In the first embodiment, the case of the air-cooled fuel cell has been described as an example, but the case of the water-cooled fuel cell may be used. However, in the air-cooled fuel cell, since the heat transfer efficiency of the air used for cooling is lower than that of the cooling water, a large flow of cooling air may flow, so drying tends to occur in the MEA 20. Therefore, it is preferable to apply the present invention to an air-cooled fuel cell.

以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。   As mentioned above, although the embodiment of the present invention has been described in detail, the present invention is not limited to such a specific embodiment, and various modifications may be made within the scope of the subject matter of the present invention described in the claims. Changes are possible.

１０、１０ａ 単セル
２０ 膜電極接合体
２２ 電解質膜
２４ｃ カソード触媒層
２４ａ アノード触媒層
２６ｃ カソードガス拡散層
２６ａ アノードガス拡散層
２８ｃ カソードセパレータ
２８ａ アノードセパレータ
３０ 膜電極ガス拡散層接合体
４０ 凸部
４２ 凹部
４４ 凹部
４６ 酸化剤ガス流路
５０ 凸部
５２ 凹部
５４ 凹部
５６ 燃料ガス流路
６０ 冷媒流路
６２ 酸化剤ガス供給マニホールド
６４ 酸化剤ガス排出マニホールド
７２ 燃料ガス供給マニホールド
７４ 燃料ガス排出マニホールド
８０ 単セル 10, 10a single cell 20 membrane electrode assembly 22 electrolyte membrane 24c cathode catalyst layer 24a anode catalyst layer 26c cathode gas diffusion layer 26a anode gas diffusion layer 28c cathode separator 28a anode separator 30 membrane electrode gas diffusion layer assembly 40 convex portion 42 concave portion 44 recess 46 oxidant gas flow passage 50 protrusion 52 recess 54 depression 56 fuel gas flow passage 60 refrigerant flow passage 62 oxidant gas supply manifold 64 oxidant gas discharge manifold 72 fuel gas supply manifold 74 fuel gas discharge manifold 80 single cell

Claims (1)

膜電極接合体と前記膜電極接合体を挟持する第１セパレータ及び第２セパレータとを備えた単セルが複数積層され、反応ガスである燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池スタックであって、
前記単セルの前記第１セパレータ及び前記第２セパレータは、金属板からなり、前記膜電極接合体とは反対側に突出した複数の凸部と前記複数の凸部の間の複数の第１凹部とが一端側から他端側にかけて延在して設けられ、且つ、前記複数の凸部に前記複数の凸部の高さよりも浅い複数の第２凹部が前記一端側から前記他端側にかけて間隔をあけて設けられていて、
積層された複数の前記単セルのうちの隣接する単セルは、一方の単セルの前記第１セパレータに設けられた前記複数の凸部のうちの前記複数の第２凹部以外の部分と他方の単セルの前記第２セパレータに設けられた前記複数の凸部のうちの前記複数の第２凹部以外の部分とが接していて、
前記単セルの前記第１セパレータ及び前記第２セパレータの前記複数の凸部によって前記一端側と前記他端側との間を前記反応ガスが流れる反応ガス流路が画定され、且つ、前記隣接する単セルの前記一方の単セルの前記第１セパレータの前記複数の第２凹部と前記他方の単セルの前記第２セパレータの前記複数の第２凹部とによって前記反応ガスと交差する方向に冷媒が流れる冷媒流路が画定されている、燃料電池スタック。 A plurality of unit cells each including a membrane electrode assembly and a first separator and a second separator sandwiching the membrane electrode assembly are stacked, and a fuel is generated by the electrochemical reaction between a fuel gas as a reaction gas and an oxidant gas. A battery stack,
The first separator and the second separator of the unit cell are made of a metal plate, and a plurality of first recesses between a plurality of protrusions projecting to the side opposite to the membrane electrode assembly and the plurality of protrusions And a plurality of second recesses, which are provided extending from one end side to the other end side and shallower than the heights of the plurality of convex portions in the plurality of convex portions, are spaced from the one end side to the other end side It is provided by
Adjacent single cells of the stacked plurality of single cells are a portion other than the plurality of second concave portions of the plurality of convex portions provided in the first separator of one single cell and the other Of the plurality of convex portions provided in the second separator of the unit cell, the portions other than the plurality of second concave portions are in contact with each other,
A reaction gas flow path through which the reaction gas flows is defined between the one end side and the other end side by the plurality of convex portions of the first separator and the second separator of the single cell, and the adjacent ones are adjacent The refrigerant is directed in a direction intersecting the reaction gas by the plurality of second recesses of the first separator of the one unit cell and the plurality of second recesses of the second separator of the other unit cell. A fuel cell stack in which a flowing refrigerant flow path is defined.
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