JP2023169464A

JP2023169464A - Fuel cell

Info

Publication number: JP2023169464A
Application number: JP2022080566A
Authority: JP
Inventors: 知勇芳住; Tomoo Yoshizumi; 光五十嵐; Hikaru Igarashi; 昂大三原; Takahiro Mihara
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2022-05-17
Filing date: 2022-05-17
Publication date: 2023-11-30

Abstract

To suppress a rise in pressure loss even if there is a protruded portion in a gas exhaust flow channel, in a fuel cell.SOLUTION: A fuel cell has: a laminate in which a plurality of power generation unit cells are laminated; and a terminal plate, an insulation plate, and an end plate arranged so as to sandwich the laminate. The fuel cell has a gas exhaust flow channel formed by overlapping holes respectively provided on the power generation unit cells, the terminal plate, the insulation plate, and the end plate. The gas exhaust flow channel has one end closed and the other end opened to form an opening, and is provided with a diaphragm so that the flow channel cross sectional area of the opening is smaller than the flow channel cross sectional area at a portion corresponding to the power generation unit cells, of the gas exhaust flow channel. At an upstream side from the diaphragm of the gas exhaust flow channel, a projection protruded from an inner surface of the gas exhaust flow channel is provided. The whole of the projection is arranged at a position outside a virtual region obtained by extending the opening in an extending direction of the gas exhaustion flow channel.SELECTED DRAWING: Figure 4

Description

本開示は燃料電池に関する。 FIELD OF THE DISCLOSURE This disclosure relates to fuel cells.

特許文献１には、燃料ガス排出流路内に、第１の開口端と、第１の開口端よりも燃料ガス排出流路の下流側に位置する第２の開口端とを備える管が配置された排水用の管を具備する燃料電池スタックで、第１の開口端と第２の開口端との間で静圧差をつけることで排水できる、という技術が開示されている。 Patent Document 1 discloses that a pipe having a first open end and a second open end located downstream of the first open end in the fuel gas exhaust flow path is disposed in the fuel gas exhaust flow path. A technology has been disclosed in which a fuel cell stack is equipped with a drain pipe, in which water can be drained by creating a static pressure difference between a first open end and a second open end.

このような管を、例えば特許文献２の図１２、０１６８段落に示されるような詰め物をマニホールドに配置してマニホールドの流路断面積を小さくすることも考えられる。また、これに限らず、セルへのガスの配流性向上のために、マニホールド出口部分に絞り部（流路断面積を小さくする部分）を設けてガスをマニホールド内にとどめやすくする技術もある。 It is also conceivable to arrange such a tube in a manifold with a stuffing as shown in FIG. 12, paragraph 0168 of Patent Document 2, to reduce the cross-sectional area of the flow path of the manifold. Furthermore, the present invention is not limited to this, and in order to improve the distribution of gas to the cells, there is also a technique in which a constriction part (a part that reduces the cross-sectional area of the flow path) is provided at the manifold outlet to make it easier to keep the gas in the manifold.

特開２０１７－３３６９５号公報JP 2017-33695 Publication ＷＯ２０１０／１２８５５５WO2010/128555

管内が突起等により絞られた（流路断面が小さくされた）場合、その下流側で流路断面積が急に大きくなる部分が生じて渦が発生し、圧力損失が上昇するという問題があった。圧力損失の上昇は流体の流動性を低下させて燃料電池の性能低下の一因になる。 When the inside of a pipe is constricted by a protrusion, etc. (the cross-sectional area of the flow path is made smaller), there is a problem that a portion where the cross-sectional area of the flow path suddenly increases downstream generates a vortex and increases pressure loss. Ta. The increase in pressure drop reduces the fluidity of the fluid, contributing to a decrease in the performance of the fuel cell.

本開示は、燃料電池において、ガス排出流路に突出した部位があっても圧力損失が上昇することを抑制することを目的とする。 An object of the present disclosure is to suppress an increase in pressure loss in a fuel cell even if there is a protruding portion in a gas exhaust flow path.

本願は、複数の発電単位セルが積層された積層体、積層体を挟むように配置された、ターミナルプレート、絶縁板、及び、エンドプレートを有する燃料電池であって、発電単位セル、ターミナルプレート、絶縁板、及び、エンドプレートのそれぞれに設けられた孔が重なることにより形成されたガス排出流路を有し、ガス排出流路は、一端が閉鎖されて、他端が開口して開口部を形成しており、開口部の流路断面積が、ガス排出流路のうち発電単位セルの部位の流路断面積より小さくなるように絞り部が設けられ、ガス排出流路のうち絞り部より上流側にはガス排出流路の内面から突出する突出部を具備し、突出部は、その全部が、開口部をガス排出流路が延びる方向に延長した仮想領域の外側となる位置に配置されている、燃料電池を開示する。 The present application relates to a fuel cell having a laminate in which a plurality of power generation unit cells are stacked, a terminal plate, an insulating plate, and an end plate arranged to sandwich the laminate, the power generation unit cell, the terminal plate, The insulating plate and the end plate each have a gas exhaust flow path formed by overlapping holes provided, and the gas exhaust flow path has one end closed and the other end open to form an opening. The throttle part is provided so that the flow passage cross-sectional area of the opening is smaller than the flow passage cross-sectional area of the power generation unit cell part of the gas exhaust flow passage, and the throttle part of the gas exhaust flow passage is The upstream side is provided with a protruding part that protrudes from the inner surface of the gas exhaust channel, and the entire protruding part is arranged at a position outside a virtual region in which the opening extends in the direction in which the gas exhaust channel extends. A fuel cell is disclosed.

本開示によれば、ガス排出流路をガスが流れる際に突出部を超えて流れるガスを抑えることができ、突出部の下流側での渦の発生を低減することが可能となるため、圧力損失が高くなることを抑えることができる。 According to the present disclosure, it is possible to suppress the gas flowing beyond the protrusion when the gas flows through the gas discharge channel, and it is possible to reduce the generation of vortices on the downstream side of the protrusion. It is possible to prevent losses from increasing.

図１は発電単位セル１０を平面視した図である。FIG. 1 is a plan view of the power generation unit cell 10. 図２は発電部１１の断面でありその層構成を説明する図である。FIG. 2 is a cross-sectional view of the power generation section 11 and is a diagram illustrating its layer structure. 図３は燃料電池２０の構成を説明する外観斜視図である。FIG. 3 is an external perspective view illustrating the configuration of the fuel cell 20. As shown in FIG. 図４はガス排出流路３０の部位を表す燃料電池２０の断面図である。FIG. 4 is a cross-sectional view of the fuel cell 20 showing a portion of the gas exhaust channel 30. As shown in FIG.

１．発電単位セル
図１、図２に１つの形態にかかる発電単位セル１０を説明する図を示した。発電単位セル１０は、水素と酸素（空気）を供給することにより発電するための単位要素であり、このような発電単位セル１０が複数積層されて燃料電池を構成している。
図１は発電単位セル１０を平面視した図、図２は発電単位セル１０のうち、Ａ－Ａに沿った断面の発電部１１における層構成を説明する図である。 1. Power Generation Unit Cell FIGS. 1 and 2 are diagrams illustrating a power generation unit cell 10 according to one embodiment. The power generation unit cell 10 is a unit element for generating power by supplying hydrogen and oxygen (air), and a plurality of such power generation unit cells 10 are stacked to form a fuel cell.
FIG. 1 is a plan view of the power generation unit cell 10, and FIG. 2 is a diagram illustrating the layer structure of the power generation section 11 in a cross section taken along the line AA of the power generation unit cell 10.

発電部１１は発電に寄与する部分であり、図２に当該発電部１１における層構成（Ａ-Ａ断面の一部）を表したように複数の層が積層されてなる。
発電単位セル１０の発電部１１では、電解質膜１２を挟んで一方がカソード（酸素供給側）、他方がアノード（水素供給側）である。カソードは電解質膜１２側からカソード触媒層１３、カソード拡散層１４、及び、カソードセパレータ１５がこの順に積層されている。一方アノードは、電解質膜１２側からアノード触媒層１６、アノード拡散層１７、及び、アノードセパレータ１８をこの順に備えている。なお、電解質膜１２、カソード触媒層１３、カソード拡散層１４、アノード触媒層１６、アノード拡散層１７による積層体を膜電極接合体と呼ぶことがある。膜電極接合体の厚さは０．４ｍｍ程度が典型的であり、発電部１１における発電単位セル１０の厚さは１．３ｍｍ程度が典型的である。
各層は公知のように構成することができるが例えば次の通りである。 The power generation section 11 is a part that contributes to power generation, and is made up of a plurality of laminated layers as shown in FIG.
In the power generation section 11 of the power generation unit cell 10, one side with the electrolyte membrane 12 in between is a cathode (oxygen supply side), and the other side is an anode (hydrogen supply side). In the cathode, a cathode catalyst layer 13, a cathode diffusion layer 14, and a cathode separator 15 are laminated in this order from the electrolyte membrane 12 side. On the other hand, the anode includes an anode catalyst layer 16, an anode diffusion layer 17, and an anode separator 18 in this order from the electrolyte membrane 12 side. Note that a laminate including the electrolyte membrane 12, cathode catalyst layer 13, cathode diffusion layer 14, anode catalyst layer 16, and anode diffusion layer 17 is sometimes referred to as a membrane electrode assembly. The thickness of the membrane electrode assembly is typically about 0.4 mm, and the thickness of the power generation unit cell 10 in the power generation section 11 is typically about 1.3 mm.
Each layer can be constructed in a known manner, for example as follows.

１．１．電解質膜
電解質膜１２は湿潤状態において良好なプロトン伝導性を示す固体高分子薄膜である。例えばフッ素系のイオン交換膜によって構成され、例えば、炭素－フッ素系高分子を用いることができ、具体的にはパーフルオロアルキルスルフォン酸系ポリマー（ナフィオン（登録商標））等が挙げられる。
電解質膜１２の厚さは特に限定されることはないが、２００μｍ以下、好ましくは１００μｍ以下、より好ましくは３０μｍ以下である。 1.1. Electrolyte Membrane The electrolyte membrane 12 is a solid polymer thin film that exhibits good proton conductivity in a wet state. For example, it is constituted by a fluorine-based ion exchange membrane, and for example, a carbon-fluorine-based polymer can be used, and specific examples include perfluoroalkylsulfonic acid-based polymer (Nafion (registered trademark)).
The thickness of the electrolyte membrane 12 is not particularly limited, but is 200 μm or less, preferably 100 μm or less, and more preferably 30 μm or less.

１．２．カソード触媒層
カソード触媒層１３は、触媒金属が担体に担持されている形態で触媒金属が含まれる層である。例えば、触媒金属としてはＰｔ、Ｐｄ、Ｒｈ、又はこれらを含む合金が挙げられる。担体としては、炭素担体、より詳しくはグラッシーカーボン、カーボンブラック、活性炭、コークス、天然黒鉛、及び、人造黒鉛等からなる炭素粒子を挙げることができる。 1.2. Cathode Catalyst Layer The cathode catalyst layer 13 is a layer containing catalytic metal in the form of a catalytic metal supported on a carrier. For example, examples of the catalytic metal include Pt, Pd, Rh, and alloys containing these. Examples of the carrier include carbon carriers, more specifically carbon particles made of glassy carbon, carbon black, activated carbon, coke, natural graphite, artificial graphite, and the like.

１．３．アノード触媒層
アノード触媒層１６も、カソード触媒層１３と同様に、触媒金属が担体に担持されている形態で触媒金属が含まれる層である。例えば、触媒金属としてはＰｔ、Ｐｄ、Ｒｈ、又はこれらを含む合金が挙げられる。担体としては、炭素担体、より詳しくはグラッシーカーボン、カーボンブラック、活性炭、コークス、天然黒鉛、及び、人造黒鉛等からなる炭素粒子を挙げることができる。 1.3. Anode Catalyst Layer Similarly to the cathode catalyst layer 13, the anode catalyst layer 16 is also a layer containing a catalyst metal in the form of a catalyst metal supported on a carrier. For example, examples of the catalytic metal include Pt, Pd, Rh, and alloys containing these. Examples of the carrier include carbon carriers, more specifically carbon particles made of glassy carbon, carbon black, activated carbon, coke, natural graphite, artificial graphite, and the like.

１．４．カソード拡散層
カソード拡散層１４は、例えば導電性を有する多孔質体で構成できる。より具体的な例としては、カーボン多孔体（カーボンペーパー、カーボンクロス、ガラス状カーボン等）、金属多孔体（金属メッシュ、発泡金属）等が挙げられる。
カソード拡散層には必要に応じてＭＰＬ（マイクロポーラス層）を設けてもよい。ＭＰＬは、カソード拡散層１４のうちカソード触媒層１３側に塗工された被覆状の薄膜である。ＭＰＬは必要に応じて撥水性や親水性を有して水分の調整をする機能を有する。ＭＰＬとしてポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等の撥水性樹脂とカーボンブラックなどの導電性材料を主成分とするものが典型的である。 1.4. Cathode Diffusion Layer The cathode diffusion layer 14 can be made of, for example, a conductive porous material. More specific examples include carbon porous bodies (carbon paper, carbon cloth, glassy carbon, etc.), metal porous bodies (metal mesh, metal foam), and the like.
An MPL (microporous layer) may be provided in the cathode diffusion layer if necessary. MPL is a thin film coated on the cathode catalyst layer 13 side of the cathode diffusion layer 14 . MPL has water repellency or hydrophilicity and has the function of adjusting moisture content as required. A typical MPL is one whose main components are a water-repellent resin such as polytetrafluoroethylene (PTFE) and a conductive material such as carbon black.

１．５．アノード拡散層
アノード拡散層１７は、例えば導電性を有する多孔質体で構成できる。より具体的な例としては、カーボン多孔体（カーボンペーパー、カーボンクロス、ガラス状カーボン等）、金属多孔体（金属メッシュ、発泡金属）等が挙げられる。 1.5. Anode Diffusion Layer The anode diffusion layer 17 can be made of, for example, a porous material having electrical conductivity. More specific examples include carbon porous bodies (carbon paper, carbon cloth, glassy carbon, etc.), metal porous bodies (metal mesh, metal foam), and the like.

１．６．カソードセパレータ
カソードセパレータ１５はカソード拡散層１４に反応ガス（本形態では空気）を供給する部材であり、カソード拡散層１４に対向する面に、複数の溝１５ａを有しており、この溝が反応ガス流路として機能する。溝の形状は反応ガスを適切にカソード拡散層１４に供給することができれば特に限定されることはなく、本形態のように板状の部材を波状に形成した溝型流路が挙げられる。そのとき、板厚は０．１ｍｍ～０．２ｍｍが典型的であり、凹凸の高さは０．５ｍｍ程度が典型的である。溝型流路とした場合、隣り合う溝１５ａの間にはカソードセパレータ１５を挟んで反対側に溝１５ｂが形成され、これが冷却水流路として機能する。 1.6. Cathode Separator The cathode separator 15 is a member that supplies a reactive gas (air in this embodiment) to the cathode diffusion layer 14, and has a plurality of grooves 15a on the surface facing the cathode diffusion layer 14. Functions as a gas flow path. The shape of the groove is not particularly limited as long as the reaction gas can be appropriately supplied to the cathode diffusion layer 14, and examples include a groove-shaped channel formed by forming a plate-like member into a wave shape as in this embodiment. At this time, the plate thickness is typically 0.1 mm to 0.2 mm, and the height of the unevenness is typically about 0.5 mm. In the case of a groove-shaped flow path, a groove 15b is formed between adjacent grooves 15a on the opposite side with the cathode separator 15 in between, and this groove functions as a cooling water flow path.

また、カソードセパレータ１５には、図１からわかるように、発電部１１から延長して外側となる位置で、溝１５ａ、溝１５ｂの一端側となる部位には空気入口孔Ａ_ｉｎ、冷却水入口孔Ｗ_ｉｎ、水素出口孔Ｈ_ｏｕｔが設けられ、溝１５ａ、溝１５ｂの他端側となる部位には空気出口孔Ａ_ｏｕｔ、冷却水出口孔Ｗ_ｏｕｔ、水素入口孔Ｈ_ｉｎが設けられている。ここで溝１５ａは空気入口孔Ａ_ｉｎ、空気出口孔Ａ_ｏｕｔに連通し、溝１５ｂは冷却水入口孔Ｗ_ｉｎ、冷却水出口孔Ｗ_ｏｕｔに連通している。 Further, as can be seen from FIG. 1, the cathode separator 15 has an air inlet hole A _in and a cooling water inlet at a position extending from the power generation section 11 to the outside and at one end side of the grooves 15a and 15b. A hole W _in and a hydrogen outlet hole H _out are provided, and an air outlet hole A _out , a cooling water outlet hole W _out , and a hydrogen inlet hole H _in are provided at the other end side of the grooves 15a and 15b. . Here, the groove 15a communicates with the air inlet hole A _in and the air outlet hole A _out , and the groove 15b communicates with the cooling water inlet hole W _in and the cooling water outlet hole W _out .

カソードセパレータ１５を構成する材料は、発電単位セルのセパレータとして用いることができる任意の材料であってよく、ガス不透過性の導電性材料であってよい。このような材料としては、例えばカーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボンや、プレス成型した金属板等を挙げることができる。 The material constituting the cathode separator 15 may be any material that can be used as a separator of a power generation unit cell, and may be a gas-impermeable electrically conductive material. Examples of such materials include dense carbon made gas impermeable by compressing carbon, press-molded metal plates, and the like.

１．７．アノードセパレータ
アノードセパレータ１８はアノード拡散層１７に反応ガス（水素）を供給する部材であり、アノード拡散層１７に対向する面に、複数の溝１８ａを有しており、この溝が反応ガス流路として機能する。溝の形状は反応ガスを適切にアノード拡散層１７に供給することができれば特に限定されることはなく、本形態のように溝型流路が挙げられる。そのとき板厚は０．１ｍｍ～０．２ｍｍが典型的であり、凹凸の高さは０．４ｍｍ程度が典型的である。溝型流路とした場合、隣り合う溝１８ａの間にはアノードセパレータ１８を挟んで反対側に溝１８ｂが形成され、これが冷却水流路として機能する。 1.7. Anode Separator The anode separator 18 is a member that supplies reactive gas (hydrogen) to the anode diffusion layer 17, and has a plurality of grooves 18a on the surface facing the anode diffusion layer 17, and these grooves serve as reaction gas flow paths. functions as The shape of the groove is not particularly limited as long as the reaction gas can be appropriately supplied to the anode diffusion layer 17, and examples include a groove-shaped channel as in this embodiment. At this time, the plate thickness is typically 0.1 mm to 0.2 mm, and the height of the unevenness is typically about 0.4 mm. In the case of a groove-shaped flow path, a groove 18b is formed between adjacent grooves 18a on the opposite side with the anode separator 18 in between, and this groove functions as a cooling water flow path.

また、アノードセパレータ１８には、図１からわかるように、発電部１１から延長して外側となる位置で、溝１８ａ、溝１８ｂの一端側となる部位には空気入口孔Ａ_ｉｎ、冷却水入口孔Ｗ_ｉｎ、水素出口孔Ｈ_ｏｕｔが設けられ、溝１８ａ、溝１８ｂの他端側となる部位には空気出口孔Ａ_ｏｕｔ、冷却水出口孔Ｗ_ｏｕｔ、水素入口孔Ｈ_ｉｎが設けられている。ここで溝１８ａは水素入口孔Ｈ_ｉｎ、水素出口孔Ｈ_ｏｕｔに連通し、溝１８ｂは冷却水入口孔Ｗ_ｉｎ、冷却水出口孔Ｗ_ｏｕｔに連通している。 In addition, as can be seen from FIG. 1, the anode separator 18 has an air inlet hole A _in and a cooling water inlet at a position extending from the power generation section 11 and at one end of the grooves 18a and 18b. A hole W _in and a hydrogen outlet hole H _out are provided, and an air outlet hole A _out , a cooling water outlet hole W _out , and a hydrogen inlet hole H _in are provided at the other end side of the grooves 18a and 18b. . Here, the groove 18a communicates with the hydrogen inlet hole H _in and the hydrogen outlet hole H _out , and the groove 18b communicates with the cooling water inlet hole W _in and the cooling water outlet hole W _out .

アノードセパレータ１８を構成する材料は、発電単位セルのセパレータとして用いることができる任意の材料であってよく、ガス不透過性の導電性材料であってよい。このような材料としては、例えばカーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボンや、プレス成型した金属板等を挙げることができる。 The material constituting the anode separator 18 may be any material that can be used as a separator of a power generation unit cell, and may be a gas-impermeable electrically conductive material. Examples of such materials include dense carbon made gas impermeable by compressing carbon, press-molded metal plates, and the like.

１．８．発電単位セルによる発電
公知の通りであるが、以上説明した発電単位セル１０により次のように発電が行われる。
アノードセパレータ１８のＨ_ｉｎから溝１８ａを通じて水素が供給されると水素はアノード拡散層１７を通りアノード触媒層１６にてプロトン（Ｈ^＋）と電子（ｅ^－）に分解され、プロトンは電解質膜１２を通り、電子は外部へつながる導電線を通り、それぞれがカソード触媒層１３に達する。ここで、カソード触媒層１３にはカソードセパレータ１５のＡ_ｉｎから溝１５ａを通じてカソード拡散層１４を介して酸素（空気）供給されており、カソード触媒層１３では、プロトン、電子、酸素により水（Ｈ_２Ｏ）が発生する。発生した水はカソード拡散層１４を通りカソードセパレータ１５の溝１５ａを通ってＡ_ｏｕｔから排出される。また、利用されなかった水素は溝１８ａを通じてＨ_ｏｕｔから排出される。
すなわち、発電単位セル１０ではアノード触媒層１６から外部へつながる導電線を通る電子の流れを電流として利用する。 1.8. Power Generation by Power Generation Unit Cell As is well known, power generation is performed by the power generation unit cell 10 described above as follows.
When hydrogen is supplied from the H _in of the anode separator 18 through the groove 18a, the hydrogen passes through the anode diffusion layer 17 and is decomposed into protons (H ⁺ ) and electrons (e ⁻ ) in the anode catalyst layer 16, and the protons are transferred to the electrolyte membrane 12. The electrons pass through conductive wires leading to the outside, and each reaches the cathode catalyst layer 13. Here, oxygen (air) is supplied to the cathode catalyst layer 13 from the A _in of the cathode separator 15 through the cathode diffusion layer 14 through the groove 15a, and in the cathode catalyst layer 13, water (H ₂ O) occurs. The generated water passes through the cathode diffusion layer 14, passes through the groove 15a of the cathode separator 15, and is discharged from A _out . Further, unused hydrogen is discharged from H _out through the groove 18a.
That is, in the power generation unit cell 10, the flow of electrons passing through the conductive wire leading from the anode catalyst layer 16 to the outside is used as an electric current.

なお、積層された発電単位セル１０の隣り合う発電単位セル１０の一方側のカソードセパーレータ１５の溝１５ｂと他方側のアノードセパレータ１８の溝１８ｂが重なることで冷却水流路が形成され、この冷却水流路にはＷ_ｉｎから冷却水が給水されＷ_ｏｕｔから排水される。 Note that the groove 15b of the cathode separator 15 on one side of the stacked power generation unit cells 10 and the groove 18b of the anode separator 18 on the other side of the adjacent power generation unit cells 10 overlap to form a cooling water flow path. Cooling water is supplied to the cooling water flow path from W _in and drained from W _out .

２．燃料電池
２．１．燃料電池の構造
以上のような発電単位セル１０が複数積層されるとともに他の部材と組み合わされて燃料電池を構成する。図３には、燃料電池２０の構成の概略を斜視図で示した。 2. Fuel cell 2.1. Structure of Fuel Cell A plurality of power generation unit cells 10 as described above are stacked and combined with other members to constitute a fuel cell. FIG. 3 shows a schematic perspective view of the configuration of the fuel cell 20.

燃料電池２０は、上記した発電単位セル１０が複数積層されてなる積層体１０Ａをその積層方向両側から一対のエンドプレート２１ａ、２１ｂで挟むようにして保持している。また、一方のエンドプレート２１ａと積層体１０Ａとの間には独立もしくは、エンドプレートと一体で成形された絶縁板２２ａを介してターミナルプレート２３ａが配置され、他方のエンドプレート２１ｂと積層体１０Ａとの間にも同様に絶縁板２２ｂを介してターミナルプレート２３ｂが配置されている。このターミナルプレート２３ａ、２３ｂは集電板であり、ターミナルプレート２３ａ、２３ｂにより集電され、ここを通して燃料電池２０から外部に電気が取り出される。従って、一方のターミナルプレート２３ａが正極、他方のターミナルプレート２３ｂが負極となる。 The fuel cell 20 holds a stacked body 10A formed by stacking a plurality of the power generation unit cells 10 described above between a pair of end plates 21a and 21b from both sides in the stacking direction. Further, a terminal plate 23a is arranged between one end plate 21a and the laminate 10A via an insulating plate 22a formed independently or integrally with the end plate, and between the other end plate 21b and the laminate 10A. Similarly, a terminal plate 23b is arranged between them with an insulating plate 22b interposed therebetween. These terminal plates 23a and 23b are current collecting plates, and current is collected by the terminal plates 23a and 23b, through which electricity is taken out from the fuel cell 20 to the outside. Therefore, one terminal plate 23a becomes a positive electrode, and the other terminal plate 23b becomes a negative electrode.

一方側のエンドプレート２１ａ、絶縁板２２ａ及びターミナルプレート２３ａは、上記したカソードセパレータ１５、アノードセパレータ１８と同様にその一端側に、空気入口孔Ａ_ｉｎ、冷却水入口孔Ｗ_ｉｎ、水素出口孔Ｈ_ｏｕｔが設けられ、他端側に空気出口孔Ａ_ｏｕｔ、冷却水出口孔Ｗ_ｏｕｔ、水素入口孔Ｈ_ｉｎが設けられている。
なお、他方側のエンドプレート２１ｂ、絶縁板２２ｂ及びターミナルプレート２３ｂにはこのような孔は設けられていない。 The end plate 21a, the insulating plate 22a, and the terminal plate 23a on one side have an air inlet hole A _in , a cooling water inlet hole W _in , and a hydrogen outlet hole H on one end side, similarly to the cathode separator 15 and the anode separator 18 described above. _An air outlet hole A _out , a cooling water outlet hole W _out , and a hydrogen inlet hole H _in are provided at the other end.
Note that such holes are not provided in the end plate 21b, the insulating plate 22b, and the terminal plate 23b on the other side.

燃料電池２０では、積層体１０Ａにおいて複数の発電単位セル１０が積層されているが、各発電単位セル１０は上記したように、空気入口孔Ａ_ｉｎ、冷却水入口孔Ｗ_ｉｎ、水素出口孔Ｈ_ｏｕｔ、空気出口孔Ａ_ｏｕｔ、冷却水出口孔Ｗ_ｏｕｔ、水素入口孔Ｈ_ｉｎが設けられているから、これら各孔が重なることにより発電単位セル１０の積層方向にそれぞれの流路が形成される。すなわち、空気入口孔Ａ_ｉｎが重なることにより空気の供給流路、空気出口孔Ａ_ｏｕｔが重なることにより空気のガス排出流路、水素入口孔Ｈ_ｉｎが重なることにより水素の供給流路、水素出口孔Ｈ_ｏｕｔが重なることにより水素のガス排出流路、冷却水入口孔Ｗ_ｉｎが重なることにより冷却水の供給流路、及び、冷却水出口孔Ｗ_ｏｕｔが重なることにより冷却水の排水流路が形成される。 In the fuel cell 20, a plurality of power generation unit cells 10 are stacked in the stacked body 10A, and each power generation unit cell 10 has an air inlet hole A _in , a cooling water inlet hole W _in , and a hydrogen outlet hole H as described above. Since there are provided an air outlet hole A _out , an air outlet hole A out , a cooling water outlet hole W _out , and a hydrogen inlet hole H _in , each flow path is formed in the stacking direction of the power generation unit cell 10 by overlapping each _of these holes. . In other words, the air inlet holes A _in overlap to create an air supply flow path, the air outlet holes A _out overlap to create an air gas discharge flow path, and the hydrogen inlet holes H _in overlap to create a hydrogen supply flow path and hydrogen outlet. The overlapping holes H _out create a hydrogen gas exhaust flow path, the overlapping cooling water inlet holes W _in create a cooling water supply flow path, and the overlapping cooling water outlet holes W _out create a cooling water drainage flow path. It is formed.

２．２．ガス排出流路
燃料電池２０では上記のように空気のガス排出流路及び水素のガス排出流路が形成される。ここでは空気のガス排出流路を例に本形態におけるガス排出流路を説明する。ここで説明する形態は水素のガス排出流路に適用することもできる。
図４には、図３にＳで示した仮想の平面で燃料電池２０を切断し、空気のガス排出流路３０を表した図である。従って図４には複数の発電単位セル１０が積層された方向に延びる空気のガス排出流路３０が表れている。空気のガス排出流路３０は上記したように複数の空気出口孔Ａ_ｏｕｔが重なって形成された流路である。
図４ではわかりやすさのため一部の部材の表記は省略している。また、発電単位セル１０の具体的な層構成の表記及びハッチングも省略して表している。 2.2. Gas Exhaust Channel In the fuel cell 20, an air gas exhaust passage and a hydrogen gas exhaust passage are formed as described above. Here, the gas exhaust flow path in this embodiment will be explained using an air gas exhaust flow path as an example. The embodiment described here can also be applied to a hydrogen gas exhaust flow path.
FIG. 4 is a diagram illustrating the air gas exhaust flow path 30 by cutting the fuel cell 20 along a virtual plane indicated by S in FIG. 3. In FIG. Therefore, FIG. 4 shows an air gas exhaust flow path 30 extending in the direction in which the plurality of power generation unit cells 10 are stacked. As described above, the air gas exhaust passage 30 is a passage formed by overlapping a plurality of air outlet holes A _out .
In FIG. 4, some members are omitted for clarity. Further, the notation and hatching of the specific layer structure of the power generation unit cell 10 are also omitted.

図４からわかるように、ガス排出流路３０はその一端側がターミナルプレート２３ｂに閉鎖され、エンドプレート２１ａ側に開口部３０ａを有する流路である。従って各発電単位セル１０から排出された空気、生成した水はガス排出流路３０に集まり開口部３０ａから排出される。 As can be seen from FIG. 4, the gas exhaust channel 30 is a channel whose one end is closed by the terminal plate 23b and has an opening 30a on the end plate 21a side. Therefore, the air discharged from each power generation unit cell 10 and the generated water gather in the gas discharge channel 30 and are discharged from the opening 30a.

ガス排出流路３０は、流路断面積が小さくなる絞り部３１を具備している。本形態では、エンドプレート２１ａ及び絶縁板２２ａの空気出口孔Ａ_ｏｕｔが発電単位セル１０の空気出口孔Ａ_ｏｕｔよりも小さいことにより絞り部３１が形成されている。従ってガス排出流路３０では、絞り部３１の流路断面積が発電体セル１０の部位における流路３２の流路断面積より小さくなっている。 The gas exhaust flow path 30 includes a constricted portion 31 that reduces the cross-sectional area of the flow path. In this embodiment, the constricted portion 31 is formed by making the air outlet hole A _out of the end plate 21 a and the insulating plate 22 a smaller than the air outlet hole A _out of the power generation unit cell 10 . Therefore, in the gas exhaust flow path 30, the flow path cross-sectional area of the constricted portion 31 is smaller than the flow path cross-sectional area of the flow path 32 in the region of the power generation cell 10.

このような絞り部３１を設けると、ガスの流速が上がりこの流速によって発生する負圧によりガス排出流路３０に溜まった水が吸い出されるように排出され、円滑な排水が可能となる。 Providing such a constriction portion 31 increases the flow rate of the gas, and the negative pressure generated by this flow rate causes the water accumulated in the gas discharge channel 30 to be sucked out and discharged, allowing smooth drainage.

ここで、本形態ではガス排出流路３０の絞り部３１は、図４からもわかるように、ガス排出流路３０のうち発電単位セル１０の膜電極接合体等が配置された側とは反対側のみが狭まるように絞られている。 Here, in this embodiment, as can be seen from FIG. 4, the constricted portion 31 of the gas exhaust channel 30 is opposite to the side of the gas exhaust channel 30 where the membrane electrode assembly, etc. of the power generation unit cell 10 is arranged. It is narrowed so that only the sides are narrow.

また、本形態でガス排出流路３０には、その内面から突出するように設けられた部位や部材（突出部）が存在する。本形態では管３３、突起３４がガス排出流路３０の内面に具備されている。
管３３はガス排出流路３０のうち下方となる部位に配置され、ガス排出流路３０が延びる方向に沿って延びる管部材である。これにより、開口部３０ａから遠い位置（ターミナルプレート２３ｂ側）に滞留した水を開口部３０ａ側に導くことができ排水を促進できる。
突起３４はターミナルプレート２３ａの空気出口孔Ａ_ｏｕｔから突出するように配置された突起である。この突起３４により流路断面積が狭められ各発電単位セル１０への配流性が向上する。
そして、本形態で管３３は突起３４を貫通するように配置されている。 Furthermore, in the present embodiment, the gas exhaust channel 30 has a portion or member (protrusion) provided to protrude from the inner surface thereof. In this embodiment, a pipe 33 and a protrusion 34 are provided on the inner surface of the gas exhaust channel 30.
The pipe 33 is a pipe member that is disposed at a lower portion of the gas exhaust channel 30 and extends along the direction in which the gas exhaust channel 30 extends. Thereby, water accumulated at a position far from the opening 30a (on the terminal plate 23b side) can be guided to the opening 30a side, and drainage can be promoted.
The protrusion 34 is a protrusion arranged to protrude from the air outlet hole A _out of the terminal plate 23a. This protrusion 34 narrows the cross-sectional area of the flow path and improves flow distribution to each power generation unit cell 10.
In this embodiment, the tube 33 is arranged to pass through the protrusion 34.

本形態ではこれら突出部は、その全部が、絞り部３１よりも上流側（開口部３０ａとは反対側）であるとともに、図４に点線で示した開口部３０ａをガス排出流路３０が延びる方向に延長した範囲（仮想の領域）Ｋより外側となる位置に配置されている。これにより、ガス排出流路３０をガス（空気）が流れる際に図４に直線矢印で示したように、突出部を超えて流れるガスを抑えることができ、突出部の下流側での渦の発生を低減することが可能となるため、圧力損失が高くなることを抑えることができる。そしてこれにより円滑な空気や水の排出が行われ燃料電池の性能向上にも寄与する。 In this embodiment, all of these protrusions are on the upstream side of the constriction part 31 (on the opposite side from the opening 30a), and the gas exhaust channel 30 extends through the opening 30a shown by the dotted line in FIG. It is arranged at a position outside the range (imaginary area) K extending in the direction. As a result, when gas (air) flows through the gas discharge channel 30, it is possible to suppress the gas flowing beyond the protrusion as shown by the straight arrow in FIG. Since it is possible to reduce the occurrence of pressure loss, it is possible to suppress an increase in pressure loss. As a result, air and water are discharged smoothly, which also contributes to improving the performance of the fuel cell.

１０発電単位セル
１１発電部
１２電解質膜
１３カソード触媒層
１４カソード拡散層
１５カソードセパレータ
１６アノード触媒層
１７アノード拡散層
１８アノードセパレータ
２０燃料電池
２１ａ、２１ｂエンドプレート
２２ａ、２２ｂ絶縁板
２３ａ、２３ｂターミナルプレート
３０ガス排出流路
３１絞り部
３３管（突出部）
３４突起（突出部） 10 Power generation unit cell 11 Power generation section 12 Electrolyte membrane 13 Cathode catalyst layer 14 Cathode diffusion layer 15 Cathode separator 16 Anode catalyst layer 17 Anode diffusion layer 18 Anode separator 20 Fuel cell 21a, 21b End plate 22a, 22b Insulating plate 23a, 23b Terminal plate 30 Gas discharge channel 31 Throttle part 33 Pipe (projection part)
34 Protrusion (protrusion)

Claims

A fuel cell comprising a laminate in which a plurality of power generation unit cells are stacked, a terminal plate, an insulating plate, and an end plate arranged to sandwich the laminate,
having a gas exhaust flow path formed by overlapping holes provided in each of the power generation unit cell, the terminal plate, the insulating plate, and the end plate;
The gas exhaust channel has one end closed and the other end open to form an opening,
A constriction portion is provided such that a flow path cross-sectional area of the opening portion is smaller than a flow path cross-sectional area of a portion of the power generation unit cell in the gas exhaust flow path,
The gas exhaust flow path is provided with a protrusion protruding from the inner surface of the gas exhaust flow path on the upstream side of the constriction part,
All of the protrusions are located outside a virtual region in which the opening extends in the direction in which the gas exhaust flow path extends.
Fuel cell.