JP4031952B2

JP4031952B2 - Fuel cell

Info

Publication number: JP4031952B2
Application number: JP2002146258A
Authority: JP
Inventors: 直之円城寺; 優小田
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2002-05-21
Filing date: 2002-05-21
Publication date: 2008-01-09
Anticipated expiration: 2022-05-21
Also published as: JP2003338299A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電解質の両側にそれぞれ電極を設けた電解質・電極構造体と、前記電解質・電極構造体を挟持する一対のセパレータとを設けた燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜（陽イオン交換膜）からなる電解質膜の両側に、それぞれアノード側電極およびカソード側電極を対設した電解質（電解質膜）・電極構造体を、セパレータによって挟持することにより構成されている。この種の燃料電池は、通常、電解質・電極構造体およびセパレータを所定の数だけ積層することにより、燃料電池スタックとして使用されている。
【０００３】
この燃料電池において、アノード側電極に供給された燃料ガス、例えば、主に水素を含有するガス（以下、水素含有ガスともいう）は、触媒電極上で水素がイオン化され、電解質を介してカソード側電極側へと移動する。その間に生じた電子が外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。なお、カソード側電極には、酸化剤ガス、例えば、主に酸素を含有するガスあるいは空気（以下、酸素含有ガスともいう）が供給されているために、このカソード側電極において、水素イオン、電子および酸素が反応して水が生成される。
【０００４】
上記の燃料電池では、セパレータの面内に、アノード側電極に対向して燃料ガスを流すための燃料ガス流路（反応ガス流路）と、カソード側電極に対向して酸化剤ガスを流すための酸化剤ガス流路（反応ガス流路）とが設けられている。さらに、この種の燃料電池では、反応ガス流路に反応ガスである酸化剤ガスおよび燃料ガスを流すための連通孔が、電解質・電極構造体およびセパレータの積層方向に貫通して設けられた内部マニホールドが採用されている。
【０００５】
この場合、所望の発電機能を維持するために、それぞれのセパレータの面内には、アノード側電極およびカソード側電極の発電面全面にわたって燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給する必要がある。このため、セパレータには、長尺な燃料ガス流路および酸化剤ガス流路が蛇行するように設けられたり、多数本の流路溝からなる燃料ガス流路および酸化剤ガス流路が設けられたりしている。
【０００６】
ところが、セパレータの面内に発電面全面にわたって設けられた反応ガス流路に、セパレータに形成された連通孔から反応ガスを均一に供給することは極めて困難である。これにより、特に連通孔から離間する部分に反応ガスが十分に供給されず、前記反応ガスの分配不均一が惹起されて濃度過電圧が上昇するという問題がある。
【０００７】
そこで、この種の問題を解決するために、例えば、特開２００１−２５０５６８号公報に開示された固体高分子型燃料電池の集電板が知られている。この従来技術では、図７に示すように、集電板１の陰極（図示せず）に対向する一方の積層面には、上下に２分割された燃料ガス通路２ａ、２ｂが設けられるとともに、この集電板１の陽極（図示せず）に対向する他方の積層面には、同様に、上下に２分割された酸化剤ガス通路（図示せず）が形成されている。
【０００８】
集電板１の一端部には、燃料ガス通路２ａ、２ｂに燃料ガスを供給する供給側連通孔である第１および第２吸気孔３ａ、３ｂと、図示しない酸化剤ガス通路から酸化剤ガスを排出するための排出側連通孔である第１および第２排気孔４ｃ、４ｄと、給水孔５ａとが形成されている。集電板１の他端部には、燃料ガス通路２ａ、２ｂから燃料ガスを排出するための排出側連通孔である第１および第２排気孔３ｃ、３ｄと、図示しない酸化剤ガス通路に酸化剤ガスを供給するための供給側連通孔である第１および第２吸気孔４ａ、４ｂと、排水孔５ｂとが形成されている。
【０００９】
燃料ガス通路２ａ、２ｂは、第１および第２吸気孔３ａ、３ｂ側から水平方向に直線的に延在する複数本の平行溝６ａ、６ｂと、第１および第２排気孔３ｃ、３ｄ側に近接するバッファ部（格子溝）７ａ、７ｂとにより所定の流路溝を構成している。第１および第２吸気孔３ａ、３ｂ側にも、平行溝６ａ、６ｂの端部に対応してバッファ部（空間部）７ｃ、７ｄが設けられている。
【００１０】
このように、集電板１には、上下に２分割された、すなわち、上下方向に幅狭に構成された燃料ガス通路２ａ、２ｂが設けられるとともに、前記燃料ガス通路２ａ、２ｂに燃料ガスを供給する第１および第２吸気孔３ａ、３ｂと、該燃料ガス通路２ａ、２ｂから燃料ガスを排出するための第１および第２排気孔３ｃ、３ｄとが設けられている。従って、第１および第２吸気孔３ａ、３ｂから燃料ガス通路２ａ、２ｂに沿って燃料ガスを良好に供給することができ、集電板１の発電面全面にわたって燃料ガスの分配性の向上を図ることが可能になる。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の従来技術では、燃料ガスを供給するために２つの供給側連通孔（第１および第２吸気孔３ａ、３ｂ）が設けられるとともに、燃料ガスを排出するために２つの排出側連通孔（第１および第２排気孔３ｃ、３ｄ）が設けられている。さらに、酸化剤ガスを供給するために２つの供給側連通孔（第１および第２吸気孔４ａ、４ｂ）が設けられるとともに、酸化剤ガスを排出するために２つの排出側連通孔（第１および第２排気孔４ｃ、４ｄ）が設けられている。
【００１２】
これにより、反応ガスを供給および排出するための連通孔数が、従来の構成に比べて２倍に増加してしまい、マニホールドが大型化および複雑化するという問題が指摘されている。しかも、連通孔をシールするためのシール部材では、シール部分が増加してシール面積が増加してしまう。このため、電極面の利用率が低下するという問題がある。
【００１３】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単かつ小型な構成で、発電面全面に沿って反応ガスを均一かつ良好に供給することが可能な燃料電池を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１に係る燃料電池では、電解質・電極構造体に対向するセパレータ面内に形成された一方の反応ガス流路に、セパレータに積層方向に貫通して設けられた１つの酸化剤ガス供給側連通孔および複数の酸化剤ガス排出側連通孔から酸化剤ガスが供給および排出されるとともに、他方の反応ガス流路に、前記セパレータに積層方向に貫通して設けられた１つの燃料ガス供給側連通孔および複数の燃料ガス排出側連通孔から燃料ガスが供給および排出される。そして、一方の反応ガス流路は、少なくとも２つに分割された反応ガス流路域と、１つの酸化剤ガス供給側連通孔に連通して前記分割された反応ガス流路域に酸化剤ガスを供給する少なくとも２つのバッファ部とを備え、他方の反応ガス流体は、少なくとも２つに分割された反応ガス流路域と、１つの燃料ガス供給側連通孔に連通して前記分割された反応ガス流路域に燃料ガスを供給する少なくとも２つのバッファ部とを備え、各反応ガス流路域は、複数本の流路を備えている。さらに、セパレータの一方の辺には、中央部に酸化剤ガス供給側連通孔と、前記酸化剤ガス供給側連通孔の両側に燃料ガス排出側連通孔とが設けられ、前記セパレータの前記一方の辺に対向する他方の辺には、中央部に燃料ガス供給側連通孔と、前記燃料ガス供給側連通孔の両側に酸化剤ガス排出側連通孔とが設けられるとともに、反応ガス流路である酸化剤ガス流路と燃料ガス流路とは、互いに対向流を構成しかつ同一形状に設定される。
【００１５】
このように、１つの供給側連通孔に対して少なくとも２つのバッファ部が設けられている。従って、セパレータに供給側連通孔およびバッファ部をそれぞれ二対ずつ備える従来の構成に比べ、同様の反応ガス分配性を確保しながら、マニホールドの小型化および簡素化を図ることができるとともに、シール面積が低減される。これにより、電極面の利用率が有効に向上する。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池１０の要部分解斜視図であり、図２は、前記燃料電池１０の一部断面図である。
【００１７】
燃料電池１０は、電解質膜・電極構造体（電解質・電極構造体）１４と、前記電解質膜・電極構造体１４を挟持する第１および第２セパレータ１６、１８とを備える。電解質膜・電極構造体１４と第１および第２セパレータ１６、１８との間には、後述する連通孔の周囲および電極面（発電面）の外周を覆って、ガスケット等のシール部材１９が介装されている。
【００１８】
電解質膜・電極構造体１４と第１および第２セパレータ１６、１８の積層方向（図１中、矢印Ａ方向）に交差する矢印Ｂ方向（図１中、水平方向）の一端縁部には、積層方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス供給側連通孔２０が矢印Ｃ方向（図１中、鉛直方向）に延在して設けられる。酸化剤ガス供給側連通孔２０の上下両側には、燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出するための第１および第２燃料ガス排出側連通孔２２ａ、２２ｂが設けられる。
【００１９】
電解質膜・電極構造体１４と第１および第２セパレータ１６、１８の矢印Ｂ方向の他端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを供給するための燃料ガス供給側連通孔２４が矢印Ｃ方向（図１中、鉛直方向）に延在して設けられる。燃料ガス供給側連通孔２４の上下両側には、酸化剤ガスを排出するための第１および第２酸化剤ガス排出側連通孔２６ａ、２６ｂが設けられる。
【００２０】
電解質膜・電極構造体１４と第１および第２セパレータ１６、１８の下端縁部には、純水やエチレングリコールやオイル等の冷却媒体を供給するための冷却媒体供給側連通孔２８が設けられるとともに、上端縁部には、冷却媒体を排出するための冷却媒体排出側連通孔３０が設けられる。
【００２１】
電解質膜・電極構造体１４は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸されてなる固体高分子電解質膜（電解質）３２と、該固体高分子電解質膜３２を挟持するアノード側電極３４およびカソード側電極３６とを備える。アノード側電極３４およびカソード側電極３６は、カーボンペーパー等からなるガス拡散層と、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が前記ガス拡散層の表面に一様に塗布されてなる電極触媒層とをそれぞれ有する。
【００２２】
図１および図３に示すように、第１セパレータ１６のカソード側電極３６に対向する面１６ａには、前記カソード側電極３６に沿って酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス流路（反応ガス流路）３８が形成される。酸化剤ガス流路３８は、複数、例えば、２つに分割された第１および第２酸化剤ガス流路域（反応ガス流路域）４０ａ、４０ｂと、１つの供給側連通孔である酸化剤ガス供給側連通孔２０に連通して前記第１および第２酸化剤ガス流路域４０ａ、４０ｂに酸化剤ガスを供給する第１および第２バッファ部４２ａ、４２ｂとを備える。
【００２３】
第１および第２酸化剤ガス流路域４０ａ、４０ｂは、それぞれ矢印Ｂ方向に平行に延在する所定本数の直線流路４４ａ、４４ｂを備えている。直線流路４４ａ、４４ｂの上流端は、第１および第２バッファ部４２ａ、４２ｂを介して酸化剤ガス供給側連通孔２０に連通する。直線流路４４ａ、４４ｂの下流端は、第３および第４バッファ部４２ｃ、４２ｄを介して第１および第２酸化剤ガス排出側連通孔２６ａ、２６ｂに連通する。第１乃至第４バッファ部４２ａ〜４２ｄには、例えば、それぞれエンボス部４６が設けられている。
【００２４】
図４に示すように、第２セパレータ１８のアノード側電極３４に対向する面１８ａには、前記アノード側電極３４に沿って燃料ガスを供給するための燃料ガス流路（反応ガス流路）４８が形成される。燃料ガス流路４８は、複数、例えば、２つに分割された第１および第２燃料ガス流路域（反応ガス流路域）５０ａ、５０ｂと、１つの供給側連通孔である燃料ガス供給側連通孔２４に連通して前記第１および第２燃料ガス流路域５０ａ、５０ｂに燃料ガスを供給する第１および第２バッファ部５２ａ、５２ｂとを備える。
【００２５】
第１および第２燃料ガス流路域５０ａ、５０ｂは、それぞれ矢印Ｂ方向に平行に延在する所定本数の直線流路５４ａ、５４ｂを備えている。直線流路５４ａ、５４ｂの上流端は、第１および第２バッファ部５２ａ、５２ｂを介して燃料ガス供給側連通孔２４に連通する。直線流路５４ａ、５４ｂの下流端は、第３および第４バッファ部５２ｃ、５２ｄを介して第１および第２燃料ガス排出側連通孔２２ａ、２２ｂに連通する。第１乃至第４バッファ部５２ａ〜５２ｄは、例えば、それぞれエンボス部５６を設けている。
【００２６】
図１および図５に示すように、第２セパレータ１８の面１８ａとは反対の面１８ｂには、冷却媒体流路５８が設けられる。この冷却媒体流路５８は、鉛直方向（矢印Ｃ方向）に平行に延在する所定本数の直線流路６０を設けている。直線流路６０の両端は、冷却媒体供給側連通孔２８と、冷却媒体排出側連通孔３０とに連通している。シール部材１９の中央部には、アノード側電極３４およびカソード側電極３６に対応して開口部６２が形成されている（図１参照）。
【００２７】
このように構成される燃料電池１０の動作について、以下に説明する。
【００２８】
図１に示すように、燃料電池１０内には、水素含有ガス等の燃料ガスと、酸素含有ガスである空気等の酸化剤ガスと、純水やエチレングリコールやオイル等の冷却媒体とが供給される。矢印Ａ方向に連通している酸化剤ガス供給側連通孔２０に供給された酸化剤ガスは、図１および図３に示すように、第１セパレータ１６の酸化剤ガス流路３８に導入される。
【００２９】
具体的には、酸化剤ガス供給側連通孔２０には、酸化剤ガス流路３８を構成する第１および第２バッファ部４２ａ、４２ｂが連通しており、この酸化剤ガス供給側連通孔２０から前記第１および第２バッファ部４２ａ、４２ｂに酸化剤ガスが供給される。第１および第２バッファ部４２ａ、４２ｂは、第１および第２酸化剤ガス流路域４０ａ、４０ｂに連通している。このため、酸化剤ガスは、第１および第２酸化剤ガス流路域４０ａ、４０ｂに設けられているそれぞれの直線流路４４ａ、４４ｂを介して矢印Ｂ１方向に移動し、電解質膜・電極構造体１４を構成するカソード側電極３６に沿って供給される。
【００３０】
一方、燃料ガスは、図４に示すように、矢印Ａ方向に連通している燃料ガス供給側連通孔２４から燃料ガス流路４８に導入される。この燃料ガス流路４８は、燃料ガス供給側連通孔２４に連通する第１および第２バッファ部５２ａ、５２ｂを備えており、燃料ガスは、前記第１および第２バッファ部５２ａ、５２ｂを介して第１および第２燃料ガス流路域５０ａ、５０ｂに供給される。
【００３１】
燃料ガスは、第１および第２燃料ガス流路域５０ａ、５０ｂを構成するそれぞれの直線流路５４ａ、５４ｂに沿って矢印Ｂ２方向（矢印Ｂ１方向とは逆方向）に移動し、電解質膜・電極構造体１４を構成するアノード側電極３４に沿って供給される。
【００３２】
従って、各電解質膜・電極構造体１４では、カソード側電極３６に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極３４に供給される燃料ガスとが、電極触媒層内で電気化学反応により消費され、発電が行われる（図２参照）。
【００３３】
次いで、カソード側電極３６に供給されて消費された酸化剤ガスは、第３および第４バッファ部４２ｃ、４２ｄを介して第１および第２酸化剤ガス排出側連通孔２６ａ、２６ｂに排出される（図３参照）。同様に、アノード側電極３４に供給されて消費された燃料ガスは、第３および第４バッファ部５２ｃ、５２ｄを介して第１および第２燃料ガス排出側連通孔２２ａ、２２ｂに排出される（図４参照）。
【００３４】
また、図１および図５に示すように、冷却媒体供給側連通孔２８に供給された冷却媒体は、第２セパレータ１８の冷却媒体流路５８に導入される。この冷却媒体は、直線流路６０に沿って鉛直上方向に移動し、電解質膜・電極構造体１４を冷却した後、冷却媒体排出側連通孔３０に排出される。
【００３５】
この場合、第１の実施形態では、図３に示すように、第１セパレータ１６の面１６ａに形成された酸化剤ガス流路３８が、少なくとも２つに分割された第１および第２酸化剤ガス流路域４０ａ、４０ｂと、酸化剤ガス供給側連通孔２０に連通して前記第１および第２酸化剤ガス流路域４０ａ、４０ｂに酸化剤ガスを供給する第１および第２バッファ部４２ａ、４２ｂとを備えている。
【００３６】
このように、１つの酸化剤ガス供給側連通孔２０に対して少なくとも２つの第１および第２バッファ部４２ａ、４２ｂが設けられている。その際、酸化剤ガス供給側連通孔２０から第１および第２バッファ部４２ａ、４２ｂの端部までが近いため、前記酸化剤ガス供給側連通孔２０から離間する第１および第２酸化剤ガス流路域４０ａ、４０ｂの端部側にも、酸化剤ガスが十分に供給される。
【００３７】
このため、酸化剤ガス供給側連通孔２０から第１および第２バッファ部４２ａ、４２ｂを介して第１および第２酸化剤ガス流路域４０ａ、４０ｂの全体にわたって前記酸化剤ガスが良好に導入される。従って、酸化剤ガス流路３８の全域にわたり酸化剤ガスを均一に分配することができ、例えば、濃度過電圧の上昇を有効に抑えることができるという効果が得られる。
【００３８】
しかも、単一の酸化剤ガス供給側連通孔２０を備え、この酸化剤ガス供給側連通孔２０に第１および第２バッファ部４２ａ、４２ｂが連通している。このため、第１および第２バッファ部４２ａ、４２ｂにそれぞれ個別の酸化剤ガス供給側連通孔を連通する構成に比べ、同様の酸化剤ガス分配性を確保しながら、酸化剤ガスマニホールドの小型化および簡素化を図ることができるとともに、シール部材１９によるシール面積が低減される。これにより、電極面の利用率が有効に向上するという利点が得られる。
【００３９】
一方、第２セパレータ１８では、図４に示すように、同様に、単一の燃料ガス供給側連通孔２４に第１および第２バッファ部５２ａ、５２ｂが連通して設けられている。従って、燃料ガス流路４８の全域にわたり燃料ガスを均一に分配し得るとともに、燃料ガスマニホールドを小型化かつ簡素化して、電極面の利用率の向上を図ることが可能になる。
【００４０】
図６は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池を構成する第１セパレータ７０の一部正面説明図である。なお、第１の実施形態に係る燃料電池１０を構成する第１セパレータ１６と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【００４１】
第１セパレータ７０の電極面側の面７０ａには、酸化剤ガス流路（反応ガス流路）７２が形成される。この酸化剤ガス流路７２は、複数、例えば、２つに分割された第１および第２酸化剤ガス流路域（反応ガス流路域）７４ａ、７４ｂと、酸化剤ガス供給側連通孔２０に連通して前記第１および第２酸化剤ガス流路域７４ａ、７４ｂに酸化剤ガスを供給する第１および第２バッファ部７６ａ、７６ｂとを備える。
【００４２】
第１および第２酸化剤ガス流路域７４ａ、７４ｂは、鉛直方向（矢印Ｃ方向）に蛇行しながら水平方向（矢印Ｂ方向）に延在する所定本数の蛇行流路７８ａ、７８ｂを備えている。蛇行流路７８ａ、７８ｂの上流端は、第１および第２バッファ部７６ａ、７６ｂを介して酸化剤ガス供給側連通孔２０に連通する。蛇行流路７８ａ、７８ｂの下流端は、第３および第４バッファ部７６ｃ、７６ｄを介して第１および第２酸化剤ガス排出側連通孔２６ａ、２６ｂに連通する。
【００４３】
なお、図示していないが、第２セパレータ１８側にも同様に、蛇行流路を備えた燃料ガス流路が形成されている。
【００４４】
このように構成される第２の実施形態では、第１の実施形態に用いられた直線流路４４ａ、４４ｂに代替して、蛇行流路７８ａ、７８ｂが設けられており、酸化剤ガスが第１および第２酸化剤ガス流路域７４ａ、７４ｂに沿って蛇行しながらカソード側電極（図示せず）に沿って供給される。従って、図示しないカソード側電極の全面に沿って酸化剤ガスを均一かつ確実に供給することができ、第１の実施形態と同様の効果が得られる。
【００４５】
なお、第１および第２の実施形態では、第１および第２セパレータ１６（７０）、１８に、２つに分割された第１および第２酸化剤ガス流路域４０ａ、４０ｂ（７４ａ、７４ｂ）と、第１および第２燃料ガス流路域５０ａ、５０ｂとが独立して設けられているが、これに限定されるものではない。例えば、この種の反応ガス流路域を３分割、４分割または５分割以上に独立して構成してもよい。その際、特に分割数を偶数に設定すると、電極面内の反応が容易に均一化される。
【００４６】
また、アノード側電極３４およびカソード側電極３６は、それぞれ単一に構成されているが、反応ガス流路域に対応して複数に分割して構成してもよい。これにより、電極材料を削減することができ、経済的なものとなる。
【００４７】
【発明の効果】
本発明に係る燃料電池では、少なくとも２つに分割された反応ガス流路域と、１つの供給側連通孔または排出側連通孔に連通して前記分割された反応ガス流路域に反応ガスを供給または排出する少なくとも２つのバッファ部とが設けられている。このため、セパレータに各反応ガス流路域に対応して連通孔およびバッファ部をそれぞれ二対ずつ備える構成に比べ、同様の反応ガス分配性を確保しながら、マニホールドの小型化および簡素化を図ることができるとともに、シール面積が低減される。これにより、電極面の利用効率が有効に向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池の要部分解斜視図である。
【図２】前記燃料電池の一部断面図である。
【図３】前記燃料電池を構成する第１セパレータの正面説明図である。
【図４】前記燃料電池を構成する第２セパレータの一方の面の正面説明図である。
【図５】前記第２セパレータの他方の面の正面説明図である。
【図６】本発明の第２の実施形態に係る燃料電池を構成する第１セパレータの一部正面説明図である。
【図７】従来技術に係る集電板の正面説明図である。
【符号の説明】
１０…燃料電池１４…電解質膜・電極構造体
１６、１８、７０…セパレータ１９…シール部材
２０…酸化剤ガス供給側連通孔２２ａ、２２ｂ…燃料ガス排出側連通孔
２４…燃料ガス供給側連通孔
２６ａ、２６ｂ…酸化剤ガス排出側連通孔
２８…冷却媒体供給側連通孔３０…冷却媒体排出側連通孔
３２…固体高分子電解質膜３４…アノード側電極
３６…カソード側電極３８、７２…酸化剤ガス流路
４０ａ、４０ｂ、７４ａ、７４ｂ…酸化剤ガス流路域
４２ａ〜４２ｄ、５２ａ〜５２ｄ、７６ａ〜７６ｄ…バッファ部
４４ａ、４４ｂ、５４ａ、５４ｂ、６０…直線流路
４８…燃料ガス流路５０ａ、５０ｂ…燃料ガス流路域
５８…冷却媒体流路７８ａ、７８ｂ…蛇行流路[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel cell provided with an electrolyte / electrode structure provided with electrodes on both sides of an electrolyte and a pair of separators sandwiching the electrolyte / electrode structure.
[0002]
[Prior art]
For example, a polymer electrolyte fuel cell includes an electrolyte (electrolyte membrane) / electrode structure in which an anode side electrode and a cathode side electrode are provided on both sides of an electrolyte membrane made of a polymer ion exchange membrane (cation exchange membrane). Is sandwiched between separators. This type of fuel cell is normally used as a fuel cell stack by laminating a predetermined number of electrolyte / electrode structures and separators.
[0003]
In this fuel cell, a fuel gas supplied to the anode side electrode, for example, a gas mainly containing hydrogen (hereinafter also referred to as a hydrogen-containing gas) is ionized with hydrogen on the catalyst electrode, and the cathode side through the electrolyte. Move to the electrode side. Electrons generated in the meantime are taken out to an external circuit and used as direct current electric energy. The cathode side electrode is supplied with an oxidant gas, for example, a gas mainly containing oxygen or air (hereinafter also referred to as an oxygen-containing gas). And oxygen react to produce water.
[0004]
In the above fuel cell, a fuel gas channel (reactive gas channel) for flowing a fuel gas opposite to the anode side electrode and an oxidant gas for flowing the cathode gas facing the cathode side electrode in the plane of the separator. The oxidant gas flow path (reaction gas flow path) is provided. Further, in this type of fuel cell, a communication hole for flowing an oxidant gas and a fuel gas, which are reaction gases, is provided in the reaction gas flow path so as to penetrate in the stacking direction of the electrolyte / electrode structure and the separator. Manifold is adopted.
[0005]
In this case, in order to maintain a desired power generation function, it is necessary to supply fuel gas and oxidant gas over the entire power generation surface of the anode side electrode and the cathode side electrode in the plane of each separator. For this reason, the separator is provided with a long fuel gas flow path and an oxidant gas flow path meandering, or a fuel gas flow path and an oxidant gas flow path comprising a large number of flow path grooves. It is.
[0006]
However, it is extremely difficult to uniformly supply the reaction gas from the communication holes formed in the separator to the reaction gas passage provided in the separator surface over the entire power generation surface. As a result, there is a problem in that the reaction gas is not sufficiently supplied particularly to a portion separated from the communication hole, causing uneven distribution of the reaction gas and increasing the concentration overvoltage.
[0007]
In order to solve this type of problem, for example, a current collector plate for a polymer electrolyte fuel cell disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-250568 is known. In this prior art, as shown in FIG. 7, fuel gas passages 2 a and 2 b that are divided into upper and lower portions are provided on one laminated surface facing the cathode (not shown) of the current collector plate 1, Similarly, an oxidant gas passage (not shown) that is vertically divided into two is formed on the other laminated surface of the current collector plate 1 facing the anode (not shown).
[0008]
At one end of the current collector plate 1, first and second intake holes 3 a and 3 b which are supply side communication holes for supplying fuel gas to the fuel gas passages 2 a and 2 b, and an oxidant gas from an oxidant gas passage (not shown). The first and second exhaust holes 4c and 4d, which are discharge side communication holes for discharging the water, and the water supply hole 5a are formed. The other end of the current collector plate 1 has first and second exhaust holes 3c and 3d which are discharge side communication holes for discharging fuel gas from the fuel gas passages 2a and 2b, and an oxidant gas passage (not shown). First and second intake holes 4a and 4b, which are supply side communication holes for supplying the oxidant gas, and drain holes 5b are formed.
[0009]
The fuel gas passages 2a and 2b include a plurality of parallel grooves 6a and 6b extending linearly in the horizontal direction from the first and second intake holes 3a and 3b, and the first and second exhaust holes 3c and 3d. Predetermined flow channel grooves are formed by the buffer portions (lattice grooves) 7a and 7b adjacent to each other. Also on the first and second intake holes 3a, 3b side, buffer portions (space portions) 7c, 7d are provided corresponding to the end portions of the parallel grooves 6a, 6b.
[0010]
As described above, the current collector plate 1 is provided with the fuel gas passages 2a and 2b that are divided into two in the vertical direction, that is, narrow in the vertical direction, and the fuel gas passages 2a and 2b are provided with fuel gas. Are provided, and first and second exhaust holes 3c, 3d for discharging fuel gas from the fuel gas passages 2a, 2b are provided. Therefore, the fuel gas can be satisfactorily supplied from the first and second intake holes 3a and 3b along the fuel gas passages 2a and 2b, and the fuel gas distribution can be improved over the entire power generation surface of the current collector plate 1. It becomes possible to plan.
[0011]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the above-described prior art, two supply side communication holes (first and second intake holes 3a and 3b) are provided to supply fuel gas, and two discharge side communication holes are used to discharge fuel gas. Holes (first and second exhaust holes 3c, 3d) are provided. Further, two supply side communication holes (first and second intake holes 4a, 4b) are provided for supplying the oxidant gas, and two discharge side communication holes (first ones) for discharging the oxidant gas. And second exhaust holes 4c, 4d).
[0012]
As a result, the number of communication holes for supplying and discharging the reaction gas is doubled as compared with the conventional configuration, and a problem is pointed out that the manifold is enlarged and complicated. In addition, in the sealing member for sealing the communication hole, the sealing portion increases and the sealing area increases. For this reason, there exists a problem that the utilization factor of an electrode surface falls.
[0013]
The present invention solves this type of problem, and an object of the present invention is to provide a fuel cell capable of supplying a reactive gas uniformly and satisfactorily along the entire power generation surface with a simple and small configuration. .
[0014]
[Means for Solving the Problems]
In the fuel cell according to claim 1 of the present invention, one reaction gas channel formed in the separator surface facing the electrolyte electrode assembly, one of the oxidizing agent which penetrates the stacking direction to the separator together with the gas supply passage and a plurality of oxygen-containing gas discharge passage or et acid agent gas is supplied and discharged, the other reactant gas channel is provided through in the stacking direction of the separators Fuel gas is supplied and discharged from one fuel gas supply side communication hole and a plurality of fuel gas discharge side communication holes. And, one reactant gas channel, a reaction gas flow path area that is divided into at least two, one of the oxidizing agent gas in communication with the oxidant gas supply passage in the divided reaction gas channel region At least two buffer portions for supplying the reaction gas , and the other reaction gas fluid communicates with at least two reaction gas flow passage areas and one fuel gas supply side communication hole, thereby dividing the divided reaction gas. And at least two buffer units for supplying fuel gas to the gas flow channel region, and each reactive gas flow channel region includes a plurality of flow channels. Furthermore, on one side of the separator, an oxidant gas supply side communication hole is provided at the center, and a fuel gas discharge side communication hole is provided on both sides of the oxidant gas supply side communication hole. The other side facing the side is provided with a fuel gas supply side communication hole in the center and an oxidant gas discharge side communication hole on both sides of the fuel gas supply side communication hole, and is a reaction gas flow path. The oxidant gas channel and the fuel gas channel form a counterflow with each other and are set in the same shape.
[0015]
Thus, at least two buffer portions are provided for one supply side communication hole. Therefore, compared with the conventional configuration in which the separator is provided with two pairs of supply-side communication holes and two buffer portions, the manifold can be reduced in size and simplified while ensuring the same reaction gas distribution, and the sealing area can be reduced. Is reduced. Thereby, the utilization factor of an electrode surface improves effectively.
[0016]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 is an exploded perspective view of a main part of a fuel cell 10 according to the first embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a partial cross-sectional view of the fuel cell 10.
[0017]
The fuel cell 10 includes an electrolyte membrane / electrode structure (electrolyte / electrode structure) 14 and first and second separators 16 and 18 that sandwich the electrolyte membrane / electrode structure 14. Between the electrolyte membrane / electrode structure 14 and the first and second separators 16, 18, a seal member 19 such as a gasket is interposed so as to cover the periphery of the communication hole and the outer periphery of the electrode surface (power generation surface) described later. It is disguised.
[0018]
At one edge of the arrow B direction (horizontal direction in FIG. 1) intersecting the stacking direction of the electrolyte membrane / electrode structure 14 and the first and second separators 16 and 18 (arrow A direction in FIG. 1), In communication with each other in the stacking direction, an oxidant gas supply side communication hole 20 for supplying an oxidant gas, for example, an oxygen-containing gas, is provided extending in the direction of arrow C (vertical direction in FIG. 1). First and second fuel gas discharge side communication holes 22 a and 22 b for discharging a fuel gas, for example, a hydrogen-containing gas, are provided on both upper and lower sides of the oxidant gas supply side communication hole 20.
[0019]
Fuel gas supply side communication for supplying fuel gas to the other end edge of the electrolyte membrane / electrode structure 14 and the first and second separators 16 and 18 in the direction of arrow B and communicating with each other in the direction of arrow A A hole 24 is provided extending in the direction of arrow C (vertical direction in FIG. 1). First and second oxidant gas discharge side communication holes 26 a and 26 b for discharging oxidant gas are provided on both upper and lower sides of the fuel gas supply side communication hole 24.
[0020]
A cooling medium supply side communication hole 28 for supplying a cooling medium such as pure water, ethylene glycol, or oil is provided at the lower end edge of the electrolyte membrane / electrode structure 14 and the first and second separators 16 and 18. In addition, a cooling medium discharge side communication hole 30 for discharging the cooling medium is provided at the upper edge.
[0021]
The electrolyte membrane / electrode structure 14 includes, for example, a solid polymer electrolyte membrane (electrolyte) 32 in which a perfluorosulfonic acid thin film is impregnated with water, an anode-side electrode 34 sandwiching the solid polymer electrolyte membrane 32, and A cathode side electrode 36. The anode side electrode 34 and the cathode side electrode 36 are an electrode catalyst in which a gas diffusion layer made of carbon paper or the like and porous carbon particles carrying a platinum alloy supported on the surface are uniformly applied to the surface of the gas diffusion layer. Each with a layer.
[0022]
As shown in FIGS. 1 and 3, an oxidant gas flow path (reaction) for supplying an oxidant gas along the cathode side electrode 36 is provided on a surface 16 a of the first separator 16 facing the cathode side electrode 36. Gas flow path) 38 is formed. The oxidant gas flow path 38 has a plurality of, for example, first and second oxidant gas flow path areas (reaction gas flow path areas) 40a and 40b divided into two, and one supply side communication hole. The first and second buffer portions 42a and 42b are connected to the agent gas supply side communication hole 20 and supply the oxidant gas to the first and second oxidant gas flow passage areas 40a and 40b.
[0023]
The first and second oxidant gas flow passage areas 40a and 40b each include a predetermined number of straight flow passages 44a and 44b extending in parallel with the arrow B direction. The upstream ends of the straight flow paths 44a and 44b communicate with the oxidant gas supply side communication hole 20 via the first and second buffer portions 42a and 42b. The downstream ends of the straight flow paths 44a and 44b communicate with the first and second oxidant gas discharge side communication holes 26a and 26b via the third and fourth buffer portions 42c and 42d. For example, embossed portions 46 are provided in the first to fourth buffer portions 42a to 42d, respectively.
[0024]
As shown in FIG. 4, a fuel gas channel (reactive gas channel) 48 for supplying fuel gas along the anode side electrode 34 is provided on the surface 18 a of the second separator 18 facing the anode side electrode 34. Is formed. The fuel gas channel 48 includes a plurality of, for example, first and second fuel gas channel regions (reactive gas channel regions) 50a and 50b divided into two, and a fuel gas supply that is one supply side communication hole. First and second buffer portions 52a and 52b that communicate with the side communication hole 24 and supply fuel gas to the first and second fuel gas flow passage areas 50a and 50b are provided.
[0025]
The first and second fuel gas flow passage areas 50a and 50b include a predetermined number of straight flow passages 54a and 54b extending in parallel with the arrow B direction, respectively. The upstream ends of the straight flow paths 54a and 54b communicate with the fuel gas supply side communication hole 24 via the first and second buffer portions 52a and 52b. The downstream ends of the straight flow paths 54a and 54b communicate with the first and second fuel gas discharge side communication holes 22a and 22b via the third and fourth buffer portions 52c and 52d. Each of the first to fourth buffer parts 52a to 52d is provided with an embossing part 56, for example.
[0026]
As shown in FIGS. 1 and 5, a cooling medium flow path 58 is provided on a surface 18 b opposite to the surface 18 a of the second separator 18. The cooling medium flow path 58 is provided with a predetermined number of straight flow paths 60 extending in parallel with the vertical direction (the direction of arrow C). Both ends of the straight flow path 60 communicate with the cooling medium supply side communication hole 28 and the cooling medium discharge side communication hole 30. An opening 62 is formed at the center of the seal member 19 corresponding to the anode side electrode 34 and the cathode side electrode 36 (see FIG. 1).
[0027]
The operation of the fuel cell 10 configured as described above will be described below.
[0028]
As shown in FIG. 1, a fuel gas such as a hydrogen-containing gas, an oxidant gas such as air that is an oxygen-containing gas, and a cooling medium such as pure water, ethylene glycol, or oil are supplied into the fuel cell 10. Is done. The oxidant gas supplied to the oxidant gas supply side communication hole 20 communicating in the direction of arrow A is introduced into the oxidant gas flow path 38 of the first separator 16 as shown in FIGS. .
[0029]
Specifically, the oxidant gas supply side communication hole 20 communicates with the first and second buffer portions 42 a and 42 b constituting the oxidant gas flow path 38, and the oxidant gas supply side communication hole 20. The oxidant gas is supplied to the first and second buffer portions 42a and 42b. The first and second buffer portions 42a and 42b communicate with the first and second oxidant gas flow path regions 40a and 40b. Therefore, the oxidant gas moves in the direction of the arrow B1 via the respective straight flow paths 44a and 44b provided in the first and second oxidant gas flow path areas 40a and 40b, and the electrolyte membrane / electrode structure It is supplied along the cathode side electrode 36 constituting the body 14.
[0030]
On the other hand, as shown in FIG. 4, the fuel gas is introduced into the fuel gas flow channel 48 from the fuel gas supply side communication hole 24 communicating in the direction of arrow A. The fuel gas flow path 48 includes first and second buffer portions 52a and 52b communicating with the fuel gas supply side communication hole 24, and the fuel gas passes through the first and second buffer portions 52a and 52b. Are supplied to the first and second fuel gas passage areas 50a and 50b.
[0031]
The fuel gas moves in the direction of arrow B2 (the direction opposite to the direction of arrow B1) along the respective straight flow paths 54a, 54b constituting the first and second fuel gas flow path areas 50a, 50b. It is supplied along the anode side electrode 34 constituting the electrode structure 14.
[0032]
Therefore, in each electrolyte membrane / electrode structure 14, the oxidant gas supplied to the cathode side electrode 36 and the fuel gas supplied to the anode side electrode 34 are consumed by an electrochemical reaction in the electrode catalyst layer, Power generation is performed (see FIG. 2).
[0033]
Next, the oxidant gas consumed by being supplied to the cathode side electrode 36 is discharged to the first and second oxidant gas discharge side communication holes 26a and 26b via the third and fourth buffer portions 42c and 42d. (See FIG. 3). Similarly, the fuel gas supplied to and consumed by the anode side electrode 34 is discharged to the first and second fuel gas discharge side communication holes 22a and 22b via the third and fourth buffer portions 52c and 52d ( (See FIG. 4).
[0034]
As shown in FIGS. 1 and 5, the cooling medium supplied to the cooling medium supply side communication hole 28 is introduced into the cooling medium flow path 58 of the second separator 18. The cooling medium moves vertically upward along the straight flow path 60, cools the electrolyte membrane / electrode structure 14, and then is discharged into the cooling medium discharge side communication hole 30.
[0035]
In this case, in the first embodiment, as shown in FIG. 3, the oxidant gas flow path 38 formed on the surface 16a of the first separator 16 is divided into at least two first and second oxidants. First and second buffer portions for supplying oxidant gas to the first and second oxidant gas flow channel regions 40a and 40b in communication with the gas flow channel regions 40a and 40b and the oxidant gas supply side communication hole 20 42a and 42b.
[0036]
As described above, at least two first and second buffer portions 42 a and 42 b are provided for one oxidant gas supply side communication hole 20. At that time, the first and second buffer portion 42a from the oxidizing gas supply passage 20, fried is near to the end of the 42b, the first and second oxidant gas away from the oxidant gas supply passage 20 Oxidant gas is sufficiently supplied also to the end portions of the flow path areas 40a and 40b.
[0037]
For this reason, the oxidant gas is satisfactorily introduced from the oxidant gas supply side communication hole 20 through the first and second buffer portions 42a and 42b throughout the first and second oxidant gas flow passage areas 40a and 40b. Is done. Therefore, the oxidant gas can be uniformly distributed over the entire region of the oxidant gas flow path 38, and for example, an effect that an increase in concentration overvoltage can be effectively suppressed can be obtained.
[0038]
In addition, a single oxidant gas supply side communication hole 20 is provided, and the first and second buffer portions 42 a and 42 b communicate with the oxidant gas supply side communication hole 20. For this reason, the oxidant gas manifold is reduced in size while ensuring the same oxidant gas distribution as compared with the configuration in which the individual oxidant gas supply side communication holes communicate with the first and second buffer parts 42a and 42b. In addition, simplification can be achieved, and the seal area by the seal member 19 is reduced. Thereby, the advantage that the utilization factor of an electrode surface improves effectively is acquired.
[0039]
On the other hand, in the second separator 18, similarly, as shown in FIG. 4, first and second buffer portions 52 a and 52 b are provided in communication with the single fuel gas supply side communication hole 24. Therefore, the fuel gas can be uniformly distributed over the entire area of the fuel gas flow path 48, and the fuel gas manifold can be reduced in size and simplified to improve the utilization rate of the electrode surface.
[0040]
FIG. 6 is a partial front explanatory view of the first separator 70 constituting the fuel cell according to the second embodiment of the present invention. In addition, the same referential mark is attached | subjected to the component same as the 1st separator 16 which comprises the fuel cell 10 which concerns on 1st Embodiment, and the detailed description is abbreviate | omitted.
[0041]
An oxidant gas flow path (reaction gas flow path) 72 is formed on the surface 70 a on the electrode surface side of the first separator 70. The oxidant gas flow path 72 includes a plurality of, for example, first and second oxidant gas flow path areas (reaction gas flow path areas) 74 a and 74 b divided into two, and the oxidant gas supply side communication hole 20. And first and second buffer portions 76a and 76b for supplying an oxidant gas to the first and second oxidant gas flow path regions 74a and 74b.
[0042]
The first and second oxidant gas flow path regions 74a and 74b include a predetermined number of meandering flow paths 78a and 78b extending in the horizontal direction (arrow B direction) while meandering in the vertical direction (arrow C direction). Yes. The upstream ends of the meandering channels 78a and 78b communicate with the oxidant gas supply side communication hole 20 via the first and second buffer portions 76a and 76b. The downstream ends of the meandering channels 78a and 78b communicate with the first and second oxidant gas discharge side communication holes 26a and 26b via the third and fourth buffer portions 76c and 76d.
[0043]
Although not shown, a fuel gas channel including a meandering channel is similarly formed on the second separator 18 side.
[0044]
In the second embodiment configured as described above, meandering channels 78a and 78b are provided in place of the linear channels 44a and 44b used in the first embodiment, and the oxidizing gas is used in the first embodiment. It is supplied along a cathode side electrode (not shown) while meandering along the first and second oxidant gas flow path regions 74a and 74b. Therefore, the oxidant gas can be supplied uniformly and reliably along the entire surface of the cathode side electrode (not shown), and the same effect as in the first embodiment can be obtained.
[0045]
In the first and second embodiments, the first and second separators 16 (70) and 18 are divided into two first and second oxidant gas flow passage areas 40a and 40b (74a and 74b). ) And the first and second fuel gas flow passage areas 50a and 50b are provided independently, but are not limited thereto. For example, this type of reactive gas flow channel region may be configured independently of three, four, or five or more. At that time, in particular, when the number of divisions is set to an even number, the reaction in the electrode surface is easily made uniform.
[0046]
Moreover, although the anode side electrode 34 and the cathode side electrode 36 are each configured as a single unit, the anode side electrode 34 and the cathode side electrode 36 may be configured to be divided into a plurality of parts corresponding to the reaction gas flow channel region. Thereby, an electrode material can be reduced and it becomes economical.
[0047]
【The invention's effect】
In the fuel cell according to the present invention, the reaction gas is communicated to at least two reaction gas passage areas and one supply side communication hole or discharge side communication hole, and the reaction gas is supplied to the divided reaction gas passage areas. There are provided at least two buffer sections for supply or discharge. Therefore, compared with a configuration in which the separator is provided with two pairs of communication holes and buffer portions corresponding to each reaction gas flow path region, the manifold can be reduced in size and simplified while ensuring the same reaction gas distribution. And the sealing area is reduced. Thereby, the utilization efficiency of an electrode surface improves effectively.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an exploded perspective view of a main part of a fuel cell according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a partial cross-sectional view of the fuel cell.
FIG. 3 is a front explanatory view of a first separator constituting the fuel cell.
FIG. 4 is a front explanatory view of one surface of a second separator constituting the fuel cell.
FIG. 5 is a front explanatory view of the other surface of the second separator.
FIG. 6 is a partial front explanatory view of a first separator constituting a fuel cell according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a front explanatory view of a current collector plate according to the prior art.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Fuel cell 14 ... Electrolyte membrane electrode assembly 16, 18, 70 ... Separator 19 ... Sealing member 20 ... Oxidant gas supply side communication hole 22a, 22b ... Fuel gas discharge side communication hole 24 ... Fuel gas supply side communication hole 26a, 26b ... oxidant gas discharge side communication hole 28 ... cooling medium supply side communication hole 30 ... cooling medium discharge side communication hole 32 ... solid polymer electrolyte membrane 34 ... anode side electrode 36 ... cathode side electrode 38, 72 ... oxidant Gas channel 40a, 40b, 74a, 74b ... Oxidant gas channel region 42a-42d, 52a-52d, 76a-76d ... Buffer 44a, 44b, 54a, 54b, 60 ... Linear channel 48 ... Fuel gas channel 50a, 50b ... Fuel gas passage area 58 ... Cooling medium passage 78a, 78b ... Meander passage

Claims

Both sides electrolyte electrode respectively provided with an electrode on the body of the electrolyte, said a pair of separators sandwiching the electrolyte electrode assembly, the one formed in the electrolyte electrode assembly facing the separator plane to the reaction gas channel, as well as supply and discharge of one of the oxidizing gas supply passage and a plurality of oxygen-containing gas discharge passage or et acid agent gas provided through in the stacking direction of the separators The fuel cell is configured to supply and discharge fuel gas from one fuel gas supply side communication hole and a plurality of fuel gas discharge side communication holes provided in the other reaction gas flow path through the separator in the stacking direction. And
The one reaction gas channel includes a reaction gas channel region divided into at least two parts,
At least two buffer portions one of said communicated with the oxygen-containing gas supply passage for supplying the oxygen-containing gas to the split reactive gas flow channel area,
With
The other reactive gas flow path includes a reactive gas flow path area divided into at least two parts,
At least two buffer portions that communicate with one of the fuel gas supply side communication holes and supply the fuel gas to the divided reaction gas passage areas;
With
Each reactive gas flow path area includes a plurality of flow paths ,
On one side of the separator, the oxidant gas supply side communication hole in the center,
The fuel gas discharge side communication holes on both sides of the oxidant gas supply side communication holes;
Is provided,
In the other side facing the one side of the separator, the fuel gas supply side communication hole in the center,
The oxidant gas discharge side communication hole on both sides of the fuel gas supply side communication hole;
Is provided,
Wherein a reaction gas channel in which the oxidant gas flow path and the fuel gas channel, the fuel cell according to claim Rukoto is set in the configuration and and the same shape counterflow to each other.

2. The fuel cell according to claim 1, wherein each reaction gas passage region includes a plurality of meandering reaction gas passages.