JP4074701B2

JP4074701B2 - Fuel cell

Info

Publication number: JP4074701B2
Application number: JP03014598A
Authority: JP
Inventors: 祐一郎小坂; 敬正川越; 成利杉田
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 1998-02-12
Filing date: 1998-02-12
Publication date: 2008-04-09
Anticipated expiration: 2018-02-12
Also published as: JPH11233125A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電解質をアノード側電極とカソード側電極で挟んで構成された燃料電池セルと、前記燃料電池セルを挟持する第１および第２セパレータとを備え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て構成された燃料電池構造体（以下、燃料電池セルという）を、セパレータによって挟持することにより構成されており、通常、この燃料電池セルを所定数だけ積層して燃料電池セルスタックとして使用されている。
【０００３】
この種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、水素は、触媒電極上で水素イオン化され、適度に加湿された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。カソード側電極には、酸化剤ガス、例えば、酸素ガスあるいは空気が供給されているために、このカソード側電極において、前記水素イオン、前記電子および酸素が反応して水が生成される。
【０００４】
ところで、アノード側電極およびカソード側電極にそれぞれ燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給するために、通常、触媒電極層に導電性を有する多孔質層、例えば、カーボンペーパがセパレータにより挟持されるとともに、前記セパレータには、均一な幅寸法に設定された１本または複数本のガス流路が設けられている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の構成では、セパレータのガス流路を流れる燃料ガスおよび酸化剤ガスが、多孔質層自体の拡散機能のみにより触媒電極層に拡散供給されている。このため、セパレータのガス流路におけるガス流量やガス圧力の変動に起因して触媒電極層へのガス拡散性が変化し易くなり、セル性能が不安定になるという問題が指摘されている。
【０００６】
さらに、ガス流路内には、凝結水分や反応によって生成された水分が、液体（水）の状態で存在することがある。この水が多孔質層に蓄積されると、燃料ガスおよび酸化剤ガスの触媒電極層への拡散性が低下してしまい、セル性能が著しく悪くなるおそれがある。そこで、多孔質層を撥水化することにより対応することが考えられるが、手間がかかるとともに、コストの高騰が惹起されるという問題がある。
【０００７】
本発明は、この種の問題を解決するものであり、簡単な構成で、良好なガス拡散性および排水性を確保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。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る燃料電池では、燃料電池セルを挟持する第１および第２セパレータが、アノード側電極およびカソード側電極に燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給する第１および第２流路を有するとともに、この第１および第２流路が、前記第１および第２セパレータの一端から他端に向かって延在するそれぞれ独立した複数本の直線状溝部により構成され、各直線状溝部が、前記第１および第２セパレータの面方向に所定の幅寸法に設定された第１および第２通路部と、前記第１および第２セパレータの面方向に前記第１および第２通路部よりも大きな幅寸法に設定されて該第１および第２通路部に連通する第１および第２拡大部とを交互に有している。
【０００９】
このため、第１および第２流路に供給された燃料ガスおよび酸化剤ガスは、第１および第２通路部から第１および第２拡大部に導入される毎に減速されてガス圧力が増大し、ガス拡散性が有効に向上する。一方、燃料ガスおよび酸化剤ガスが第１および第２拡大部から第１および第２通路部に導入される際には、ガス流速が速くなって減圧され、第１および第２流路内の水分の排出が円滑かつ確実に行われる。
【００１０】
さらに、ガス拡散性が向上するため、第１および第２セパレータに設けられる第１および第２流路のそれぞれの間隔を大きく設定することができる。これにより、第１および第２セパレータの燃料電池セルを挟持する接触面積が増大し、各燃料電池セルの内部抵抗を低減してセル性能を良好に維持することが可能になる。
【００１１】
また、第１および第２流路が、それぞれ重力方向に交差する水平方向に複数本ずつ設けられるとともに、前記水平方向に沿って互いに隣り合う第１および第２流路は、それぞれの第１および第２通路部と第１および第２拡大部とを交互に配置している。従って、アノード側電極およびカソード側電極の反応面（発電面）全面に燃料ガスおよび酸化剤ガスを均一かつ確実に拡散供給することができる。
【００１２】
【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の概略縦断面説明図である。
【００１３】
燃料電池１０は、燃料電池セル１２と、この燃料電池セル１２を挟持する第１および第２セパレータ１４、１６とを備え、必要に応じてこれらが複数組だけ積層されている。燃料電池セル１２は、固体高分子電解質膜１８と、この電解質膜１８を挟んで配設されるアノード側電極２０およびカソード側電極２２とを有するとともに、前記アノード側電極２０および前記カソード側電極２２には、例えば、カーボンペーパ等の多孔質層である第１および第２ガス拡散層２４、２６が配設される。
【００１４】
燃料電池セル１２の両側には、第１および第２ガスケット２８、３０が設けられ、前記第１ガスケット２８は、アノード側電極２０および第１ガス拡散層２４を収納するための大きな開口部３２を有する一方、前記第２ガスケット３０は、カソード側電極２２および第２ガス拡散層２６を収納するための大きな開口部３４を有する。燃料電池セル１２と第１および第２ガスケット２８、３０とが、第１および第２セパレータ１４、１６によって挟持される。
【００１５】
図１および図３に示すように、第１セパレータ１４は、その上部側に水素等の燃料ガスを通過させるための孔部３６ａと、冷却水を通過させるための孔部３６ｂと、酸素または空気である酸化剤ガスを通過させるための孔部３６ｃとを設ける。第１セパレータ１４の下部側には、燃料ガスを通過させるための孔部３８ａと、冷却水を通過させるための孔部３８ｂと、酸化剤ガスを通過させるための孔部３８ｃとが設けられる。
【００１６】
アノード側電極２０に対向する第１セパレータ１４の面１４ａには、孔部３６ａ、３８ａを連通する複数本、例えば、１４本の燃料ガス流路（第１ガス流路）４０ａ〜４０ｎが形成される。燃料ガス流路４０ａ〜４０ｎは、重力方向（矢印Ａ方向）に直交する水平方向（矢印Ｂ方向）にそれぞれ所定間隔Ｈずつ離間するように構成されており、前記燃料ガス流路４０ａ〜４０ｎは、第１セパレータ１４の面方向に所定の幅寸法Ｓ１に設定された第１通路部４２ａ〜４２ｎと、この第１通路部４２ａ〜４２ｎよりも大きな幅寸法Ｓ２に設定されて前記第１通路部４２ａ〜４２ｎに連通する第１拡大部４４ａ〜４４ｎとを交互に有している。
【００１７】
第１通路部４２ａ〜４２ｎおよび第１拡大部４４ａ〜４４ｎは、セパレータ１４の面１４ａから所定の深さに形成された溝部により構成されており、この第１拡大部４４ａ〜４４ｎは、円形状に設定される。第１拡大部４４ａ〜４４ｎの直径である幅寸法Ｓ２は、第１通路部４２ａ〜４２ｎの幅寸法Ｓ１の５倍〜１０倍の範囲内の寸法に設定されている。第１拡大部４４ａ〜４４ｎは、重力方向（矢印Ａ方向）に所定間隔ずつ離間して複数個（本実施形態では、６個）ずつ設けられている。
【００１８】
水平方向（矢印Ｂ方向）に隣り合う燃料ガス流路４０ａと４０ｂ、燃料ガス流路４０ｂと４０ｃ、…燃料ガス流路４０ｍと４０ｎは、この水平方向に沿って第１拡大部４４ａと第１通路部４２ｂ、第１通路部４２ｂと第１拡大部４４ｃ、…第１拡大部４４ｍと第１通路部４２ｎが配置される。すなわち、第１拡大部４４ａ〜４４ｎは、水平方向に沿って千鳥状に配置されている。
【００１９】
図４に示すように、第２セパレータ１６は、上部側に燃料ガス用孔部４６ａと、冷却水用孔部４６ｂと、酸化剤ガス用孔部４６ｃとが設けられる。この第２セパレータ１６の下部側には、燃料ガス用孔部４８ａと、冷却水用孔部４８ｂと、酸化剤ガス用孔部４８ｃとが設けられる。カソード側電極２２に対向する第２セパレータ１６の面１６ａには、孔部４６ｃ、４８ｃを連通する酸化剤ガス流路（第２ガス流路）５０ａ〜５０ｎが形成される。
【００２０】
酸化剤ガス流路５０ａ〜５０ｎは、燃料ガス流路４０ａ〜４０ｎと同様に、水平方向に並列して設けられるとともに、重力方向に第２通路部５２ａ〜５２ｎと第２拡大部５４ａ〜５４ｎとが交互に連通している。第２通路部５２ａ〜５２ｎおよび第２拡大部５４ａ〜５４ｎは、第１通路部４２ａ〜４２ｎおよび第１拡大部４４ａ〜４４ｎと同様に構成されており、その詳細な説明は省略する。
【００２１】
このように構成される第１の実施形態に係る燃料電池１０の動作について、以下に説明する。
【００２２】
燃料電池１０内に燃料ガスとして水素が供給されるとともに、酸化剤ガスとして空気（またはＯ₂）が供給される。水素は、第１セパレータ１４の孔部３６ａから燃料ガス流路４０ａ〜４０ｎに導入される。燃料ガス流路４０ａ〜４０ｎに供給された水素は、第１通路部４２ａ〜４２ｎと第１拡大部４４ａ〜４４ｎに交互に導入されながら重力方向に沿って下方に移動し、第１ガス拡散層２４を通って燃料電池セル１２のアノード側電極２０に供給される。
【００２３】
この場合、第１の実施形態では、例えば、燃料ガス流路４０ａに供給された水素は、小さな幅寸法Ｓ１に設定された第１通路部４２ａと大きな幅寸法Ｓ２に設定された第１拡大部４４ａとに交互に導入されるため、前記水素が前記第１拡大部４４ａに導入される毎に減速されてガス圧力が増大する。このため、図５に示すように、第１拡大部４４ａ内の水素のガス拡散性が有効に向上し、この水素を第１ガス拡散層２４からアノード側電極２０に有効に供給することができる（図５中、矢印参照）。
【００２４】
しかも、水素は、第１拡大部４４ａから寸法縮小部である第１通路部４２ａに導入される毎に加速されてガス圧力が減少する。このため、燃料ガス流路４０ａ内に発生する凝結水分等の水が、圧力差を介して第１拡大部４４ａから第１通路部４２ａに円滑かつ確実に排出され、第１セパレータ１４の孔部３８ａから外部に導出される。これにより、第１ガス拡散層２４に水分が蓄積されることがなく、アノード側電極２０へのガス拡散性を有効に維持してセル性能を確保することが可能になるという効果が得られる。その際、第１ガス拡散層２４に水の蓄積がないため、この第１ガス拡散層２４に対して撥水化処理を施す必要がないという利点もある。
【００２５】
さらに、第１セパレータ１４では、水素のガス拡散性が有効に向上するため、この第１セパレータ１４に設けられている燃料ガス流路４０ａ〜４０ｎの水平方向の離間間隔Ｈを大きく設定することができる。従って、第１セパレータ１４の面１４ａの第１ガス拡散層２４に接する面積が増大し、燃料電池セル１２の内部抵抗を一挙に低減してセル性能の向上が図られるという効果がある。
【００２６】
また、燃料ガス流路４０ａ〜４０ｎでは、第１通路部４２ａ〜４２ｎおよび第１拡大部４４ａ〜４４ｎが水平方向に沿って千鳥状に配置されている。これにより、第１セパレータ１４の面１４ａ全面から水素が有効に拡散され、アノード側電極２０の反応面全面に前記水素を均一かつ確実に供給することが可能になる。結果的に、燃料電池セル１２のセル性能の向上が図られることになる。
【００２７】
一方、図４に示すように、第２セパレータ１６の孔部４６ｃから酸化剤ガス流路５０ａ〜５０ｎに供給された空気（またはＯ₂）は、それぞれ幅寸法の異なる第２通路部５２ａ〜５２ｎと第２拡大部５４ａ〜５４ｎに交互に導入され、第２ガス拡散層２６からカソード側電極２２に供給される。その際、空気（またはＯ₂）は、水素と同様に、第２通路部５２ａ〜５２ｎから第２拡大部５４ａ〜５４ｎに交互に導入されてガス圧力の増減が惹起され、前記第２拡大部５４ａ〜５４ｎを介して第２ガス拡散層２６に円滑かつ確実に拡散供給される。
【００２８】
なお、図６は、第１の実施形態に係る燃料電池１０と従来の燃料電池とにおける電流密度と電圧の特性を検出した結果を示している。これにより、第１の実施形態では、従来例に比べて電流密度が高くなり、セル性能が大幅に向上するという結果が得られる。
【００２９】
図７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８０の正面説明図である。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１４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。
【００３０】
第１セパレータ８０の面８０ａには、燃料ガス流路８２ａ〜８２ｎが設けられており、この燃料ガス流路８２ａ〜８２ｎは、第１通路部８４ａ〜８４ｎと第１拡大部８６ａ〜８６ｎとを交互に重力方向に連通して有している。第１拡大部８６ａ〜８６ｎは略四角形状を有しており、面８０ａ方向の幅寸法Ｓ３が第１通路部８４ａ〜８４ｎの幅寸法Ｓ１の５倍〜１０倍の範囲内に設定されている。
【００３１】
図８は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池を構成する第１セパレータ１００の正面説明図であり、図９は、本発明の第４の実施形態に係る燃料電池を構成する第１セパレータ１２０の正面説明図である。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１４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。
【００３２】
図８に示すように、第１セパレータ１００の面１００ａには、燃料ガス流路１０２ａ〜１０２ｎが設けられ、この燃料ガス流路１０２ａ〜１０２ｎは、幅狭な第１通路部１０４ａ〜１０４ｎと幅広な第１拡大部１０６ａ〜１０６ｎとを重力方向に交互に連通して構成されている。第１拡大部１０６ａ〜１０６ｎは略三角形状を有しており、その幅寸法Ｓ４が第１通路部１０４ａ〜１０４ｎの幅寸法Ｓ１の５倍〜１０倍の範囲内に設定されている。
【００３３】
図９に示すように、第１セパレータ１２０は、面１２０ａ側に燃料ガス流路１２２ａ〜１２２ｎを設けており、この燃料ガス流路１２２ａ〜１２２ｎは、幅狭な第１通路部１２４ａ〜１２４ｎと幅広な第１拡大部１２６ａ〜１２６ｎとを重力方向に交互に連通して構成されている。第１拡大部１２６ａ〜１２６ｎは略六角形状を有しており、その幅寸法Ｓ５が第１通路部１２４ａ〜１２４ｎの幅寸法Ｓ１の５倍〜１０倍の範囲内に設定されている。
【００３４】
このように、第２〜第４の実施形態では、幅狭な第１通路部８４ａ〜８４ｎ、１０４ａ〜１０４ｎ、１２４ａ〜１２４ｎと、幅広な第１拡大部８６ａ〜８６ｎ、１０６ａ〜１０６ｎおよび１２６ａ〜１２６ｎとが重力方向に交互に連通して構成されており、燃料ガスである水素は、重力方向に移動しながらそのガス圧力の増加および減少を繰り返す。従って、第１と実施形態と同様に、水素のガス拡散性が有効に向上するとともに、水分の排出が確実に遂行され、セル性能を有効に維持することが可能になるという効果が得られる。
【００３５】
【発明の効果】
本発明に係る燃料電池では、燃料電池セルを挟持する第１および第２セパレータに、それぞれ燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給するための第１および第２流路が形成されるとともに、この第１および第２流路は、前記第１および第２セパレータの一端から他端に向かって延在するそれぞれ独立した複数本の直線状溝部により構成され、各直線状溝部は、幅狭な第１および第２通路部と幅広な第１および第２拡大部とを交互に連通して有している。このため、第１および第２流路に供給された燃料ガスおよび酸化剤ガスは、加速および減速が行われてガス圧力が変動し、第１および第２拡大部でこのガス圧力が増大してガス拡散性が有効に向上する。さらに、第１および第２通路部に燃料ガスおよび酸化剤ガスが導入される毎にガス流速が遅くなって減圧されることにより、水分の排出が円滑かつ確実に行われる。これにより、燃料電池セルのセル性能を良好に維持することが可能になる。
【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】前記燃料電池の概略縦断面説明図である。
【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１セパレータの正面説明図である。
【図５】前記第１セパレータの動作説明図である。
【図６】前記燃料電池と従来例の燃料電池とにおける電圧と電流密度の特性図である。
【図７】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セパレータの正面説明図である。
【図８】本発明の第３の実施形態に係る燃料電池を構成する第１セパレータの正面説明図である。
【図９】本発明の第４の実施形態に係る燃料電池を構成する第１セパレータの正面説明図である。
【符号の説明】
１０…燃料電池１２…燃料電池セル
１４、１６、８０、１００、１２０…セパレータ
１８…電解質膜２０…アノード側電極
２２…カソード側電極２４、２６…ガス拡散層
２８、３０…ガスケット
４０ａ〜４０ｎ、８２ａ〜８２ｎ、１０２ａ〜１０２ｎ、１２２ａ〜１２２ｎ…燃料ガス流路
４２ａ〜４２ｎ、５２ａ〜５２ｎ、８４ａ〜８４ｎ、１０４ａ〜１０４ｎ、１２４ａ〜１２４ｎ…通路部
４４ａ〜４４ｎ、５４ａ〜５４ｎ、８６ａ〜８６ｎ、１０６ａ〜１０６ｎ、１２６ａ〜１２６ｎ…拡大部
５０ａ〜５０ｎ…酸化剤ガス流路[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel cell including a fuel cell configured by sandwiching an electrolyte between an anode side electrode and a cathode side electrode, and first and second separators that sandwich the fuel cell.
[0002]
[Prior art]
For example, a polymer electrolyte fuel cell has a fuel cell structure (hereinafter, referred to as “a fuel cell structure”) formed by arranging an anode side electrode and a cathode side electrode on both sides of an electrolyte composed of a polymer ion exchange membrane (cation exchange membrane). (Referred to as a fuel cell) is sandwiched between separators, and a predetermined number of fuel cells are usually stacked to be used as a fuel cell stack.
[0003]
In this type of fuel cell, the fuel gas, for example, hydrogen supplied to the anode side electrode is hydrogen ionized on the catalyst electrode and moves to the cathode side electrode side through an appropriately humidified electrolyte. Electrons generated in the meantime are taken out to an external circuit and used as direct current electric energy. Since the oxidant gas, for example, oxygen gas or air is supplied to the cathode side electrode, water reacts with the hydrogen ions, the electrons and oxygen to generate water.
[0004]
By the way, in order to supply the fuel gas and the oxidant gas to the anode side electrode and the cathode side electrode, respectively, a porous layer having conductivity, for example, carbon paper, is usually sandwiched between the separator and the catalyst electrode layer. The separator is provided with one or a plurality of gas flow paths set to a uniform width dimension.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the above configuration, the fuel gas and the oxidant gas flowing through the gas flow path of the separator are diffused and supplied to the catalyst electrode layer only by the diffusion function of the porous layer itself. For this reason, it has been pointed out that the gas diffusivity to the catalyst electrode layer easily changes due to fluctuations in the gas flow rate and gas pressure in the gas flow path of the separator, and the cell performance becomes unstable.
[0006]
Furthermore, condensed moisture and moisture generated by the reaction may exist in a liquid (water) state in the gas flow path. When this water is accumulated in the porous layer, the diffusibility of the fuel gas and the oxidant gas to the catalyst electrode layer is lowered, and the cell performance may be remarkably deteriorated. Thus, it is conceivable to cope with this problem by making the porous layer water repellent. However, there are problems that it takes time and increases the cost.
[0007]
The present invention solves this type of problem, and an object thereof is to provide a fuel cell that can ensure good gas diffusibility and drainage with a simple configuration.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
In the fuel cell according to the present invention, the first and second separators sandwiching the fuel battery cell have first and second flow paths for supplying fuel gas and oxidant gas to the anode side electrode and the cathode side electrode, The first and second flow paths are configured by a plurality of independent linear grooves extending from one end to the other end of the first and second separators, and each linear groove is the first And a first and second passage portion set to a predetermined width dimension in the surface direction of the second separator, and a width dimension larger than that of the first and second passage portions in the surface direction of the first and second separators. First and second enlarged portions that are set and communicate with the first and second passage portions are alternately provided.
[0009]
For this reason, the fuel gas and the oxidant gas supplied to the first and second flow paths are decelerated each time they are introduced from the first and second passage parts into the first and second enlarged parts, and the gas pressure increases. In addition, gas diffusivity is effectively improved. On the other hand, when the fuel gas and the oxidant gas are introduced from the first and second enlarged portions into the first and second passage portions, the gas flow rate becomes faster and the pressure is reduced, Water is discharged smoothly and reliably.
[0010]
Furthermore, since gas diffusibility is improved, the distance between the first and second flow paths provided in the first and second separators can be set large. Thereby, the contact area which clamps the fuel cell of a 1st and 2nd separator increases, and it becomes possible to reduce the internal resistance of each fuel cell, and to maintain cell performance favorably.
[0011]
In addition, a plurality of first and second flow paths are provided in the horizontal direction intersecting the direction of gravity, respectively, and the first and second flow paths adjacent to each other along the horizontal direction are the first and second flow paths. The second passage portions and the first and second enlarged portions are alternately arranged. Therefore, the fuel gas and the oxidant gas can be uniformly and reliably diffused and supplied to the entire reaction surface (power generation surface) of the anode side electrode and the cathode side electrode.
[0012]
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 schematic longitudinal sectional view of the fuel cell 10.
[0013]
The fuel cell 10 includes a fuel cell 12 and first and second separators 14 and 16 sandwiching the fuel cell 12, and a plurality of these are stacked as necessary. The fuel cell 12 includes a solid polymer electrolyte membrane 18, and an anode side electrode 20 and a cathode side electrode 22 disposed with the electrolyte membrane 18 interposed therebetween, and the anode side electrode 20 and the cathode side electrode 22. For example, first and second gas diffusion layers 24 and 26, which are porous layers such as carbon paper, are disposed.
[0014]
First and second gaskets 28 and 30 are provided on both sides of the fuel battery cell 12, and the first gasket 28 has a large opening 32 for accommodating the anode side electrode 20 and the first gas diffusion layer 24. On the other hand, the second gasket 30 has a large opening 34 for accommodating the cathode side electrode 22 and the second gas diffusion layer 26. The fuel cell 12 and the first and second gaskets 28 and 30 are sandwiched by the first and second separators 14 and 16.
[0015]
As shown in FIGS. 1 and 3, the first separator 14 has a hole 36 a for allowing a fuel gas such as hydrogen to pass therethrough, a hole 36 b for allowing cooling water to pass, and oxygen or air. And an aperture 36c for allowing the oxidant gas to pass therethrough. On the lower side of the first separator 14, a hole 38a for allowing the fuel gas to pass therethrough, a hole 38b for allowing the coolant to pass therethrough, and a hole 38c for allowing the oxidant gas to pass therethrough are provided.
[0016]
On the surface 14a of the first separator 14 facing the anode side electrode 20, a plurality of, for example, 14 fuel gas passages (first gas passages) 40a to 40n communicating with the holes 36a and 38a are formed. The The fuel gas flow paths 40a to 40n are configured to be separated by a predetermined interval H in a horizontal direction (arrow B direction) orthogonal to the gravity direction (arrow A direction), and the fuel gas flow paths 40a to 40n are The first passage portions 42a to 42n set to a predetermined width dimension S1 in the surface direction of the first separator 14, and the first passage portion set to a width dimension S2 larger than the first passage portions 42a to 42n. The first enlarged portions 44a to 44n communicating with 42a to 42n are alternately provided.
[0017]
The first passage portions 42a to 42n and the first enlarged portions 44a to 44n are configured by grooves formed at a predetermined depth from the surface 14a of the separator 14, and the first enlarged portions 44a to 44n are circular. Set to The width dimension S2 which is the diameter of the first enlarged portions 44a to 44n is set to a size within a range of 5 to 10 times the width dimension S1 of the first passage portions 42a to 42n. A plurality (six in the present embodiment) of the first enlarged portions 44a to 44n are provided at a predetermined interval in the direction of gravity (arrow A direction).
[0018]
The fuel gas passages 40a and 40b, the fuel gas passages 40b and 40c,... The fuel gas passages 40m and 40n adjacent to each other in the horizontal direction (arrow B direction) The passage portion 42b, the first passage portion 42b and the first enlarged portion 44c,... The first enlarged portion 44m and the first passage portion 42n are arranged. That is, the first enlarged portions 44a to 44n are arranged in a staggered manner along the horizontal direction.
[0019]
As shown in FIG. 4, the second separator 16 is provided with a fuel gas hole 46a, a cooling water hole 46b, and an oxidant gas hole 46c on the upper side. On the lower side of the second separator 16, a fuel gas hole 48a, a cooling water hole 48b, and an oxidant gas hole 48c are provided. On the surface 16a of the second separator 16 facing the cathode side electrode 22, oxidant gas flow paths (second gas flow paths) 50a to 50n communicating with the holes 46c and 48c are formed.
[0020]
The oxidant gas flow paths 50a to 50n are provided in parallel in the horizontal direction in the same manner as the fuel gas flow paths 40a to 40n, and the second passage parts 52a to 52n and the second enlarged parts 54a to 54n in the gravitational direction. Are communicating alternately. The second passage portions 52a to 52n and the second enlarged portions 54a to 54n are configured in the same manner as the first passage portions 42a to 42n and the first enlarged portions 44a to 44n, and detailed descriptions thereof are omitted.
[0021]
The operation of the fuel cell 10 according to the first embodiment configured as described above will be described below.
[0022]
Hydrogen is supplied as fuel gas into the fuel cell 10 and air (or O ₂ ) is supplied as oxidant gas. Hydrogen is introduced from the hole 36a of the first separator 14 into the fuel gas passages 40a to 40n. The hydrogen supplied to the fuel gas passages 40a to 40n moves downward along the direction of gravity while being alternately introduced into the first passage portions 42a to 42n and the first enlarged portions 44a to 44n, and the first gas diffusion layer 24 is supplied to the anode electrode 20 of the fuel battery cell 12.
[0023]
In this case, in the first embodiment, for example, the hydrogen supplied to the fuel gas flow path 40a includes the first passage portion 42a set to the small width dimension S1 and the first enlarged portion set to the large width dimension S2. Since the hydrogen gas is alternately introduced into 44a, the hydrogen is decelerated and the gas pressure is increased each time the hydrogen is introduced into the first enlarged portion 44a. For this reason, as shown in FIG. 5, the gas diffusibility of hydrogen in the first enlarged portion 44 a is effectively improved, and this hydrogen can be effectively supplied from the first gas diffusion layer 24 to the anode side electrode 20. (See arrow in FIG. 5).
[0024]
Moreover, every time hydrogen is introduced from the first enlarged portion 44a into the first passage portion 42a which is a size reducing portion, the gas pressure is reduced. For this reason, water such as condensed moisture generated in the fuel gas channel 40a is smoothly and reliably discharged from the first enlarged portion 44a to the first passage portion 42a through the pressure difference, and the hole portion of the first separator 14 is discharged. It is derived to the outside from 38a. As a result, moisture is not accumulated in the first gas diffusion layer 24, and it is possible to effectively maintain the gas diffusibility to the anode side electrode 20 and to secure the cell performance. In that case, since there is no accumulation of water in the 1st gas diffusion layer 24, there also exists an advantage that it is not necessary to perform a water-repellent process with respect to this 1st gas diffusion layer 24.
[0025]
Further, in the first separator 14, since the gas diffusibility of hydrogen is effectively improved, the separation distance H in the horizontal direction of the fuel gas flow paths 40 a to 40 n provided in the first separator 14 can be set large. it can. Accordingly, the area of the surface 14a of the first separator 14 in contact with the first gas diffusion layer 24 is increased, and there is an effect that the internal resistance of the fuel cell 12 is reduced at once and the cell performance is improved.
[0026]
In the fuel gas passages 40a to 40n, the first passage portions 42a to 42n and the first enlarged portions 44a to 44n are arranged in a staggered manner along the horizontal direction. Thereby, hydrogen is effectively diffused from the entire surface 14 a of the first separator 14, and the hydrogen can be uniformly and reliably supplied to the entire reaction surface of the anode side electrode 20. As a result, the cell performance of the fuel cell 12 is improved.
[0027]
On the other hand, as shown in FIG. 4, the air (or O ₂ ) supplied from the holes 46 c of the second separator 16 to the oxidant gas flow paths 50 a to 50 n is second passage parts 52 a to 52 n having different width dimensions. And are alternately introduced into the second enlarged portions 54 a to 54 n and supplied from the second gas diffusion layer 26 to the cathode side electrode 22. At that time, like hydrogen, air (or O ₂ ) is alternately introduced from the second passage portions 52a to 52n to the second expansion portions 54a to 54n to cause an increase or decrease in gas pressure, and the second expansion portion. The second gas diffusion layer 26 is smoothly and reliably diffused and supplied via 54a to 54n.
[0028]
FIG. 6 shows the result of detecting the current density and voltage characteristics of the fuel cell 10 according to the first embodiment and the conventional fuel cell. Thereby, in 1st Embodiment, compared with a prior art example, a current density becomes high and the result that cell performance improves significantly is acquired.
[0029]
FIG. 7 is an explanatory front view of the first separator 80 constituting the fuel cell according to the second embodiment of the present invention. Note that the same components as those of the first separator 14 constituting the fuel cell 10 according to the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
[0030]
Fuel gas passages 82a to 82n are provided on the surface 80a of the first separator 80. The fuel gas passages 82a to 82n include first passage portions 84a to 84n and first enlarged portions 86a to 86n. It alternately communicates in the direction of gravity. The first enlarged portions 86a to 86n have a substantially rectangular shape, and the width dimension S3 in the direction of the surface 80a is set within a range of 5 to 10 times the width dimension S1 of the first passage portions 84a to 84n. .
[0031]
FIG. 8 is an explanatory front view of the first separator 100 constituting the fuel cell according to the third embodiment of the present invention, and FIG. 9 shows the fuel cell according to the fourth embodiment of the present invention. It is front explanatory drawing of 1 separator 120. FIG. Note that the same components as those of the first separator 14 constituting the fuel cell 10 according to the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
[0032]
As shown in FIG. 8, fuel gas passages 102 a to 102 n are provided on the surface 100 a of the first separator 100, and the fuel gas passages 102 a to 102 n are wider than the narrow first passage portions 104 a to 104 n. The first enlarged portions 106a to 106n are alternately communicated in the direction of gravity. The first enlarged portions 106a to 106n have a substantially triangular shape, and the width dimension S4 is set within a range of 5 to 10 times the width dimension S1 of the first passage portions 104a to 104n.
[0033]
As shown in FIG. 9, the first separator 120 is provided with fuel gas passages 122a to 122n on the surface 120a side. The fuel gas passages 122a to 122n are connected to the narrow first passage portions 124a to 124n. The wide first enlarged portions 126a to 126n are alternately communicated in the gravity direction. The first enlarged portions 126a to 126n have a substantially hexagonal shape, and the width dimension S5 is set in a range of 5 to 10 times the width dimension S1 of the first passage portions 124a to 124n.
[0034]
Thus, in the second to fourth embodiments, the narrow first passage portions 84a to 84n, 104a to 104n, and 124a to 124n, and the wide first enlarged portions 86a to 86n, 106a to 106n, and 126a to 126a to 126a. 126n is configured to alternately communicate with the gravity direction, and hydrogen, which is a fuel gas, repeatedly increases and decreases the gas pressure while moving in the gravity direction. Therefore, as in the first and the embodiments, the gas diffusibility of hydrogen is effectively improved, the moisture is reliably discharged, and the cell performance can be effectively maintained.
[0035]
【The invention's effect】
In the fuel cell according to the present invention, first and second flow paths for supplying fuel gas and oxidant gas are formed in the first and second separators sandwiching the fuel cell, respectively. And the second flow path is constituted by a plurality of independent linear groove portions extending from one end to the other end of the first and second separators, and each linear groove portion includes the first and second narrow grooves. The second passage portion and the wide first and second enlarged portions are alternately communicated. For this reason, the fuel gas and the oxidant gas supplied to the first and second flow paths are accelerated and decelerated to change the gas pressure, and the gas pressure increases at the first and second enlarged portions. Gas diffusivity is effectively improved. Furthermore, every time fuel gas and oxidant gas are introduced into the first and second passage portions, the gas flow rate becomes slower and the pressure is reduced, so that moisture is discharged smoothly and reliably. Thereby, it becomes possible to maintain the cell performance of a fuel cell well.
[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 schematic longitudinal 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 a first separator constituting the fuel cell.
FIG. 5 is an operation explanatory diagram of the first separator.
FIG. 6 is a characteristic diagram of voltage and current density in the fuel cell and the conventional fuel cell.
FIG. 7 is an explanatory front view of a first separator constituting a fuel cell according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a front explanatory view of a first separator constituting a fuel cell according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 9 is an explanatory front view of a first separator constituting a fuel cell according to a fourth embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Fuel cell 12 ... Fuel cell 14, 16, 80, 100, 120 ... Separator 18 ... Electrolyte membrane 20 ... Anode side electrode 22 ... Cathode side electrode 24, 26 ... Gas diffusion layer 28, 30 ... Gasket 40a-40n, 82a-82n, 102a-102n, 122a-122n ... fuel gas flow paths 42a-42n, 52a-52n, 84a-84n, 104a-104n, 124a-124n ... passages 44a-44n, 54a-54n, 86a-86n, 106a-106n, 126a-126n ... Enlarged part 50a-50n ... Oxidant gas flow path

Claims

A fuel cell comprising a solid polymer electrolyte membrane sandwiched between an anode side electrode and a cathode side electrode, and first and second separators sandwiching the fuel cell,
The first and second separators have first and second gas passages for supplying fuel gas and oxidant gas to the anode side electrode and the cathode side electrode,
The first and second gas flow paths are configured by a plurality of independent linear grooves extending from one end to the other end of the first and second separators,
Each linear groove portion includes first and second passage portions set to a predetermined width dimension in the surface direction of the first and second separators;
First and second enlarged portions that are set in the surface direction of the first and second separators to be larger than the first and second passage portions and communicate with the first and second passage portions;
A fuel cell comprising:

2. The fuel cell according to claim 1, wherein each of the first and second gas flow paths is provided in parallel in a horizontal direction orthogonal to the direction of gravity.
The first and second passage portions and the first and second enlarged portions are alternately provided in the gravitational direction,
In the first and second gas flow paths adjacent in the horizontal direction, the first and second passage portions and the first and second enlarged portions are alternately arranged along the horizontal direction. A fuel cell.