JP4268400B2

JP4268400B2 - Fuel cell

Info

Publication number: JP4268400B2
Application number: JP2002333742A
Authority: JP
Inventors: 誠治杉浦; 修平後藤; 昌弘毛里
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2002-11-18
Filing date: 2002-11-18
Publication date: 2009-05-27
Anticipated expiration: 2022-11-18
Also published as: JP2004171824A

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とで挟んで構成される電解質・電極構造体を有し、前記電解質・電極構造体とセパレータとを交互に積層する燃料電池に関する。
【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）からなる固体高分子電解質膜を採用している。この燃料電池は、固体高分子電解質膜の両側に、それぞれ電極触媒と多孔質カーボンからなる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膜・電極構造体（電解質・電極構造体）を、セパレータ（バイポーラ板）によって挟持することにより構成されている。通常、この燃料電池を所定数だけ積層した燃料電池スタックが使用されている。
【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（反応ガス）、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、電極触媒上で水素がイオン化され、電解質膜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は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（反応ガス）、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】
上記の燃料電池には、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。また、セパレータ間には、冷却媒体を流すための冷却媒体流路が前記セパレータの面方向に沿って設けられている。
【０００５】
この種のセパレータは、通常、カーボン系材料で構成されているが、前記カーボン系材料では、強度等の要因で薄肉化が図れないという不具合が指摘されている。そこで、最近、この種のカーボン製セパレータよりも強度に優れかつ薄肉化が容易な金属薄板製のセパレータ（以下、金属セパレータともいう）を用い、この金属セパレータにプレス加工を施して所望の反応ガス流路を成形することにより、該金属セパレータの厚さの減少を図って燃料電池全体を小型化かつ軽量化する工夫がなされている。
【０００６】
例えば、図１３に示す燃料電池１は、アノード側電極２とカソード側電極３との間に電解質膜４が介装された電解質膜・電極構造体５と、前記電解質膜・電極構造体５を挟持する一組の金属セパレータ６ａ、６ｂとを備えている。
【０００７】
金属セパレータ６ａには、アノード側電極２に対向する面に燃料ガス（例えば、水素含有ガス）を供給するための燃料ガス流路７ａが設けられる一方、金属セパレータ６ｂには、カソード側電極３に対向する面に酸化剤ガス（例えば、空気等の酸素含有ガス）を供給するための酸化剤ガス流路７ｂが設けられている。金属セパレータ６ａ、６ｂには、アノード側電極２およびカソード側電極３に当接する平坦部８ａ、８ｂが設けられるとともに、前記平坦部８ａ、８ｂの裏面（当接面とは反対の面）側に冷却媒体を流すための冷却媒体流路９ａ、９ｂが形成されている。
【０００８】
ところが、上記の金属セパレータ６ａ、６ｂでは、燃料ガス流路７ａおよび酸化剤ガス流路７ｂの流路形状が設定されると、必然的に冷却媒体流路９ａ、９ｂの流路形状が決まってしまう。特に、長尺なガス流路長を確保するために、燃料ガス流路７ａおよび酸化剤ガス流路７ｂを電極面内で蛇行させるサーペンタイン流路で構成する場合、冷却媒体流路９ａ、９ｂの流路形状が著しく制限されることになる。これにより、金属セパレータ６ａ、６ｂの冷却媒体流路に冷却媒体が淀む部分が発生し、前記金属セパレータ６ａ、６ｂの面方向全面にわたって冷却媒体を均一に流すことができず、電極面を均一に冷却して安定した発電性能を得ることが困難になるという問題が指摘されている。
【０００９】
そこで、例えば、特許文献１には、金属セパレータからなり、凹凸が形成されガス流路を形成する２枚の金属板と、該２枚の金属板の間に挟まれ、凹凸が形成され、表裏に冷却水流路を形成する中間金属板とを有する燃料電池用セパレータが開示されている。
【００１０】
【特許文献１】
特開２００２−７５３９５号公報（段落［０００９］〜［００１２］、図３）
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の特許文献１では、金属セパレータがガス流路を形成する２枚の金属板と、該２枚の金属板の間に挟まれて表裏に冷却水流路を形成する１枚の中間金属板との、合計３枚の金属板を備えている。このため、特に多数の金属セパレータを積層して燃料電池スタックを構成する際に、部品点数が相当に増加するとともに、金属セパレータの積層方向の寸法が大きくなり、燃料電池スタック全体が大型化してしまうという問題がある。
【００１２】
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、冷却媒体をセパレータの面内に均一に流すことができ、良好な発電性能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。
【００１３】
【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・電極構造体と交互に積層されるセパレータが、少なくとも互いに積層される第１および第２金属プレートを備えるとともに、前記第１および第２金属プレート間に冷却媒体流路が形成されている。冷却媒体流路は、冷却媒体入口連通孔に入口連絡流路を介して連通する２以上の入口バッファ部と、冷却媒体出口連通孔に出口連絡流路を介して連通する２以上の出口バッファ部と、セパレータ面方向に沿って延在し前記２以上の入口バッファ部と前記２以上の出口バッファ部とを連通する流路溝とを設けている。
【００１４】
このため、第１および第２金属プレート間では、冷却媒体入口連通孔から２以上の入口バッファ部に冷却媒体が分割して供給された後、流路溝を通って２以上の出口バッファ部に導入され、さらに冷却媒体出口連通孔に排出される。
【００１５】
さらに、少なくとも第１および第２の入口バッファ部を冷却媒体入口連通孔に連結する第１および第２の入口連絡流路は、それぞれの流路本数が異なる一方、少なくとも第１および第２の出口バッファ部を冷却媒体出口連通孔に連結する第１および第２の出口連絡流路は、それぞれの流路本数が異なる。
【００１６】
従って、冷却媒体は、冷却媒体流路内で圧力を打ち消し合うことがなく、所望の流速および所望の流れ状態を確保することができ、セパレータ面内を均一に流れることが可能になる。このため、電極面全体を均一に冷却して安定した発電性能を得ることができる。
【００１７】
また、本発明の請求項２に係る燃料電池では、第１金属プレートの一面には、アノード側電極の面方向に沿って燃料ガスを供給しかつ屈曲する流路を含む燃料ガス流路が設けられる一方、第２金属プレートの一面には、カソード側電極の面方向に沿って酸化剤ガスを供給しかつ屈曲する流路を含む酸化剤ガス流路が設けられている。
【００１８】
そして、第１金属プレートの他面には、冷却媒体入口連通孔および冷却媒体出口連通孔に連通する第１の入口バッファ部および第２の出口バッファ部が設けられるとともに、第２金属プレートの他面には、前記冷却媒体入口連通孔および前記冷却媒体出口連通孔に連通しかつ前記第１の入口バッファ部および前記第２の出口バッファ部とは異なる位置に第２の入口バッファ部および第１の出口バッファ部が設けられている。
【００１９】
これにより、第１および第２金属プレートには、それぞれ屈曲流路を含む燃料ガス流路および酸化剤ガス流路が設けられることによって流路形状が制約される部位を、互いに補うことができる。従って、簡単な構成で、セパレータ内に所望の形状を有する冷却媒体流路を確実に形成することが可能になる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明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の一部断面説明図である。
【００２１】
燃料電池１０は、電解質膜・電極構造体（電解質・電極構造体）１２と、セパレータ１３とを交互に積層して構成されるとともに、このセパレータ１３は、互いに積層される第１および第２金属プレート１４、１６を備える。
【００２２】
図１に示すように、電解質膜・電極構造体１２とセパレータ１３の矢印Ｂ方向の一端縁部には、積層方向である矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス（反応ガス）、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス入口連通孔２０ａ、冷却媒体を供給するための冷却媒体入口連通孔２２ａ、および燃料ガス（反応ガス）、例えば、水素含有ガスを排出するための燃料ガス出口連通孔２４ｂが、矢印Ｃ方向（鉛直方向）に配列して設けられる。
【００２３】
電解質膜・電極構造体１２とセパレータ１３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入口連通孔２４ａ、冷却媒体を排出するための冷却媒体出口連通孔２２ｂ、および酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス出口連通孔２０ｂが、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。
【００２４】
電解質膜・電極構造体１２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２６と、該固体高分子電解質膜２６を挟持するアノード側電極２８およびカソード側電極３０とを備える。
【００２５】
アノード側電極２８およびカソード側電極３０は、カーボンペーパ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を前記ガス拡散層の表面に一様に塗布した電極触媒層とをそれぞれ有する。電極触媒層は、互いに固体高分子電解質膜２６を介装して対向するように、前記固体高分子電解質膜２６の両面に接合されている。
【００２６】
図１および図３に示すように、第１金属プレート１４の電解質膜・電極構造体１２側の面１４ａには、酸化剤ガス流路３２が設けられるとともに、この酸化剤ガス流路３２は、酸化剤ガス入口連通孔２０ａと酸化剤ガス出口連通孔２０ｂとに連通する。酸化剤ガス流路３２は、酸化剤ガス入口連通孔２０ａおよび酸化剤ガス出口連通孔２０ｂに近接して設けられる入口バッファ部３４および出口バッファ部３６を備え、前記入口バッファ部３４および前記出口バッファ部３６は、複数のエンボス３４ａ、３６ａにより構成されている。
【００２７】
入口バッファ部３４と出口バッファ部３６とは、３本の酸化剤ガス流路溝３８ａ、３８ｂおよび３８ｃを介して連通している。酸化剤ガス流路溝３８ａ〜３８ｃは、矢印Ｂ方向に蛇行しながら矢印Ｃ方向に延在しており、具体的には、２箇所のリターン部Ｔ１、Ｔ２を有して矢印Ｂ方向に一往復半の屈曲する流路を構成している。
【００２８】
第１金属プレート１４の面１４ａには、酸化剤ガス入口連通孔２０ａ、酸化剤ガス出口連通孔２０ｂおよび酸化剤ガス流路３２を覆って酸化剤ガスのシールを行う線状シール４０が設けられる。
【００２９】
第１金属プレート１４と第２金属プレート１６との互いに対向する面１４ｂ、１６ａには、冷却媒体流路４２が一体的に形成される。図４に示すように、冷却媒体流路４２は、冷却媒体入口連通孔２２ａの矢印Ｃ方向両端近傍に設けられる２以上の、例えば、第１および第２の入口バッファ部４４、４６と、冷却媒体出口連通孔２２ｂの矢印Ｃ方向両側近傍に設けられる２以上の、例えば、第１および第２の出口バッファ部４８、５０とを備える。第１および第２の入口バッファ部４４、４６並びに第１および第２の出口バッファ部４８、５０は、複数のエンボス４４ａ、４６ａ、４８ａおよび５０ａにより構成されている。
【００３０】
冷却媒体入口連通孔２２ａと第１および第２の入口バッファ部４４、４６とは、第１および第２の入口連絡流路５２、５４を介して連通する一方、冷却媒体出口連通孔２２ｂと第１および第２の出口バッファ部４８、５０とは、第１および第２の出口連絡流路５６、５８を介して連通する。第１の入口連絡流路５２は、例えば、２本の流路溝を備える一方、第２の入口連絡流路５４は、例えば、６本の流路溝を備えている。同様に、第１の出口連絡流路５６は、６本の流路溝を設ける一方、第２の出口連絡流路５８は、２本の流路溝を設けている。
【００３１】
第１の入口連絡流路５２と第２の入口連絡流路５４とは、それぞれの流路本数が異なるように設定されており、２本と６本とに限定されるものではない。第１および第２の出口連絡流路５６、５８においても同様である。
【００３２】
第１の入口バッファ部４４と第１の出口バッファ部４８とは、矢印Ｂ方向に延在する直線状流路溝６０、６２、６４および６６を介して連通するとともに、第２の入口バッファ部４６と第２の出口バッファ部５０とは、矢印Ｂ方向に延在する直線状流路溝６８、７０、７２および７４を介して連通する。直線状流路溝６６、６８間には、矢印Ｂ方向に所定の長さだけ延在して直線状流路溝７６、７８が設けられる。
【００３３】
直線状流路溝６０〜７４は、矢印Ｃ方向に延在する直線状流路溝８０、８２を介して連通する。直線状流路溝６２〜７８は、矢印Ｃ方向に延在する直線状流路溝８４、８６を介して連通するとともに、直線状流路溝６４、６６および７６と直線状流路溝６８、７０および７８とは、矢印Ｃ方向に断続的に延在する直線状流路溝８８および９２を介して連通する。
【００３４】
冷却媒体流路４２は、第１金属プレート１４と第２金属プレート１６とに振り分けられており、前記第１および第２金属プレート１４、１６を互いに重ね合わせることによって、前記冷却媒体流路４２が形成される。図５に示されるように、第１金属プレート１４の面１４ｂには、面１４ａ側に形成される酸化剤ガス流路３２を避けるようにして冷却媒体流路４２の一部が形成される。
【００３５】
なお、面１４ｂには、面１４ａに形成された酸化剤ガス流路３２が凸状に突出しているが、冷却媒体流路４２を分かり易くするために、該凸状部分の図示は省略する。また、図６に示す面１６ａも同様に図示を省略するが、面１６ｂに形成された燃料ガス流路９６が前記面１６ａに凸状に突出している。
【００３６】
面１４ｂには、冷却媒体入口連通孔２２ａに２本の流路溝を介して連通する第１の入口バッファ部４４と、冷却媒体出口連通孔２２ｂに２本の流路溝を介して連通する第２の出口バッファ部５０とが設けられる。
【００３７】
第１の入口バッファ部４４には、酸化剤ガス流路溝３８ａ〜３８ｃのリターン部Ｔ２および出口バッファ部３６を避けるようにして、溝部６０ａ、６２ａ、６４ａおよび６６ａが矢印Ｂ方向に沿って断続的かつ所定の長さに設けられる。第２の出口バッファ部５０には、酸化剤ガス流路溝３８ａ〜３８ｃのリターン部Ｔ１および入口バッファ部３４を避けるようにして、溝部６８ａ、７０ａ、７２ａおよび７４ａが矢印Ｂ方向に沿って所定の位置に設けられる。
【００３８】
溝部６０ａ〜７８ａは、それぞれ直線状流路溝６０〜７８の一部を構成している。直線状流路溝８０〜９０の一部を構成する溝部８０ａ〜９０ａは、蛇行する酸化剤ガス流路溝３８ａ〜３８ｃを避けるようにして、矢印Ｃ方向にそれぞれ所定の長さにわたって設けられる。
【００３９】
図６に示すように、第２金属プレート１６の面１６ａには、後述する燃料ガス流路９６を避けるようにして冷却媒体流路４２の一部が形成される。具体的には、冷却媒体入口連通孔２２ａに連通する第２の入口バッファ部４６と、冷却媒体出口連通孔２２ｂを構成する第１の出口バッファ部４８とが設けられる。
【００４０】
第２の入口バッファ部４６には、直線状流路溝６８〜７４を構成する溝部６８ｂ〜７４ｂが矢印Ｂ方向に沿って所定の長さにかつ断続的に連通する一方、第１の出口バッファ部４８には、直線状流路溝６０〜６６を構成する溝部６０ｂ〜６６ｂが所定の形状に設定されて連通する。面１６ａには、直線状流路溝８０〜９０を構成する溝部８０ｂ〜９０ｂが矢印Ｃ方向に延在して設けられる。
【００４１】
冷却媒体流路４２は、矢印Ｂ方向に延在する直線状流路溝６０〜７８の一部がそれぞれの溝部６０ａ〜７８ａおよび６０ｂ〜７８ｂが互いに対向することにより、流路断面積を他の部分の２倍に拡大して主流路が構成されている（図４および図７参照）。直線状流路溝８０〜９０は、一部を重合させてそれぞれ第１および第２金属プレート１４、１６に振り分けられている（図８参照）。第１金属プレート１４の面１４ａと第２金属プレート１６の面１６ａとの間には、冷却媒体流路４２を囲繞して線状シール４０ａが介装されている。
【００４２】
図９に示すように、第２金属プレート１６の電解質膜・電極構造体１２側の面１６ｂには、燃料ガス流路９６が設けられる。燃料ガス流路９６は、燃料ガス入口連通孔２４ａに近接して設けられる入口バッファ部９８と、燃料ガス出口連通孔２４ｂに近接して設けられる出口バッファ部１００とを備える。
【００４３】
入口バッファ部９８および出口バッファ部１００は、複数のエンボス９８ａ、１００ａによって構成されており、例えば、３本の燃料ガス流路溝１０２ａ、１０２ｂおよび１０２ｃを介して連通する。燃料ガス流路溝１０２ａ〜１０２ｃは、矢印Ｂ方向に蛇行しながら矢印Ｃ方向に延在しており、２つのリターン部Ｔ３、Ｔ４を設けて実質的に一往復半の屈曲する流路を構成している。面１６ｂには、燃料ガス流路９６を囲繞する線状シール４０ｂが設けられる。
【００４４】
このように構成される本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。
【００４５】
図１に示すように、燃料ガス入口連通孔２４ａに水素含有ガス等の燃料ガスが供給されるとともに、酸化剤ガス入口連通孔２０ａに酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給される。さらに、冷却媒体入口連通孔２２ａに純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体が供給される。
【００４６】
酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔２０ａから第１金属プレート１４の酸化剤ガス流路３２に導入される。酸化剤ガス流路３２では、図３に示すように、酸化剤ガスが一旦入口バッファ部３４に導入された後、酸化剤ガス流路溝３８ａ〜３８ｃに分散される。このため、酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路溝３８ａ〜３８ｃを介して蛇行しながら、電解質膜・電極構造体１２のカソード側電極３０に沿って移動する。
【００４７】
一方、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔２４ａから第２金属プレート１６の燃料ガス流路９６に導入される。この燃料ガス流路９６では、図９に示すように、燃料ガスが一旦入口バッファ部９８に導入された後、燃料ガス流路溝１０２ａ〜１０２ｃに分散される。さらに、燃料ガスは、燃料ガス流路溝１０２ａ〜１０２ｃを介して蛇行し、電解質膜・電極構造体１２のアノード側電極２８に沿って移動する。
【００４８】
従って、電解質膜・電極構造体１２では、カソード側電極３０に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極２８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。
【００４９】
次いで、アノード側電極２８に供給されて消費された燃料ガスは、出口バッファ部１００から燃料ガス出口連通孔２４ｂに排出される。同様に、カソード側電極３０に供給されて消費された酸化剤ガスは、出口バッファ部３６から酸化剤ガス出口連通孔２０ｂに排出される。
【００５０】
一方、冷却媒体入口連通孔２２ａに供給された冷却媒体は、第１および第２金属プレート１４、１６間に形成された冷却媒体流路４２に導入される。この冷却媒体流路４２では、図４に示すように、冷却媒体入口連通孔２２ａから矢印Ｃ方向に延在する第１および第２の入口連絡流路５２、５４を介して第１および第２の入口バッファ部４４、４６に冷却媒体が一旦導入される。
【００５１】
第１および第２の入口バッファ部４４、４６に導入された冷却媒体は、直線状流路溝６０〜６６および６８〜７４に分散されて水平方向（矢印Ｂ方向）に移動するとともに、その一部が直線状流路溝８０〜９０および７６、７８に供給される。従って、冷却媒体は、電解質膜・電極構造体１２の発電面の領域全面にわたって供給された後、第１および第２の出口バッファ部４８、５０に一旦導入され、さらに第１および第２の出口連絡流路５６、５８を介して冷却媒体出口連通孔２２ｂに排出される。
【００５２】
この場合、本実施形態では、第１および第２金属プレート１４、１６間に形成される冷却媒体流路４２が、冷却媒体入口連通孔２２ａに連通する第１および第２の入口バッファ部４４、４６と、冷却媒体出口連通孔２２ｂに連通する第１および第２の出口バッファ部４８、５０とを設けている。このため、冷却媒体は、冷却媒体入口連通孔２２ａから矢印Ｃ方向に分岐して第１および第２の入口バッファ部４４、４６に一旦導入された後、直線状流路溝６０〜９０を介して発電面方向に移動し、さらに第１および第２の出口バッファ部４８、５０に一旦導入されて冷却媒体出口連通孔２２ｂに排出されている。
【００５３】
その際、第１金属プレート１４には、面１４ａ側からプレス成形される酸化剤ガス流路３２を避ける位置に対応して冷却媒体流路４２の一部が形成されている。具体的には、図３に示すように、入口バッファ部３４を避けて冷却媒体入口連通孔２２ａの下方に第１の入口バッファ部４４が設けられるとともに、出口バッファ部３６を避けて冷却媒体出口連通孔２２ｂの上方に第２の出口バッファ部５０が設けられる。さらに、蛇行する酸化剤ガス流路溝３８ａ〜３８ｃを避けて、それぞれ所定の形状に設定された溝部６０ａ〜９０ａが形成される（図３および図５参照）。
【００５４】
一方、第２金属プレート１６の面１６ａには、面１６ｂに形成される燃料ガス流路９６を避けるようにして、冷却媒体流路４２の一部が形成される。具体的には、図９に示すように、出口バッファ部１００を避けて冷却媒体入口連通孔２２ａの上方に第２の入口バッファ部４６が設けられるとともに、入口バッファ部９８を避けて冷却媒体出口連通孔２２ｂの下方に第１の出口バッファ部４８が設けられる。さらに、蛇行する燃料ガス流路溝１０２ａ〜１０２ｃを避けるようにして、溝部６０ｂ〜９０ｂが所定の形状に設定される（図６および図９参照）。
【００５５】
これにより、第１および第２金属プレート１４、１６は、酸化剤ガス流路３２および燃料ガス流路９６がそれぞれ設けられることによって流路形状が制約される部位を、互いに補うことができる。従って、簡単な構成で、セパレータ１３内に所望の形状を有する冷却媒体流路４２を確実に形成することが可能になるという効果が得られる。
【００５６】
また、本実施形態では、冷却媒体入口連通孔２２ａと第１および第２の入口バッファ部４４、４６とを連結する第１および第２の入口連絡流路５２、５４が設けられるとともに、前記第１の入口連絡流路５２を、例えば、２本の流路溝で構成する一方、前記第２の入口連絡流路５４を、例えば、６本の流路溝で構成している。
【００５７】
さらに、冷却媒体出口連通孔２２ｂと第１および第２の出口バッファ部４８、５０を連結する第１および第２の出口連絡流路５６、５８においても同様に、前記第１の出口連絡流路５６を、例えば、６本の流路溝で構成する一方、前記第２の出口連絡流路５８を、例えば、２本の流路溝で構成している。
【００５８】
このため、図１０に示すように、第１の入口バッファ部４４の近傍の位置Ｐ１と、第２の入口バッファ部４６の近傍の位置Ｐ２とにおいて、冷却媒体入口連通孔２２ａから位置Ｐ１に至る流路抵抗が、前記冷却媒体入口連通孔２２ａから位置Ｐ２に至る流路抵抗よりも大きくなる。従って、位置Ｐ２における冷却媒体の圧力が位置Ｐ１における冷却媒体の圧力よりも大きくなって、前記冷却媒体が淀むことが阻止され、冷却媒体流路４２内での冷却媒体の流れが円滑かつ均一に調整されるという効果が得られる。
【００５９】
すなわち、第１および第２の入口連絡流路５２、５４を同一の流路溝本数に設定するとともに、第１および第２出口連絡流路５６、５８を同一の流路溝本数に設定した比較例と、本実施形態とを用いて、冷却媒体流路４２内での流速および温度分布を確認した。確認は、冷却媒体入口連通孔２２ａと冷却媒体出口連通孔２２ｂとを繋ぐ中心線Ｔに沿って設定された位置Ｐａ、Ｐｂ、ＰｃおよびＰｄを中心とした領域で行った。図１０に示すように、位置Ｐａ、Ｐｄは、冷却媒体流路４２の端部位置であり、位置Ｐｂと位置Ｐａとの距離（Ｈ）および位置Ｐｃと位置Ｐｄとの距離（Ｈ）は、前記冷却媒体流路４２の流路幅（２Ｈ）の１／２に設定された。
【００６０】
その結果、比較例では、位置Ｐ１、Ｐ２での圧力が略同一であるために、図１１に示すように、位置Ｐａ近傍において、第１および第２の入口バッファ部４４、４６から供給される冷却媒体同士の流速を打ち消し合ってしまう。従って、中心線Ｔ上の位置Ｐａ〜Ｐｄ近傍では、冷却媒体の流速の低下が惹起された。これに対して、本実施形態では、位置Ｐ２の圧力が位置Ｐ１の圧力よりも大きいために、圧力差が惹起され、中心線Ｔ上の位置Ｐａ〜Ｐｄ近傍に沿って流速の低下が有効に低減された。
【００６１】
さらに、図１２に示すように、位置Ｐａ、Ｐｂ近傍と位置Ｐｃ、Ｐｄ近傍では、比較例の場合に冷却媒体の流れ不良等に起因して温度上昇が惹起された。一方、本実施形態では、圧力差に起因して冷却媒体が円滑に流れることができ、冷却媒体入口連通孔２２ａから冷却媒体出口連通孔２２ｂに向かって一定の傾斜角度で昇温する温度分布が得られた。
【００６２】
これにより、本実施形態では、冷却媒体流路４２内で冷却媒体を円滑かつ確実に流動させることができ、電解質膜・電極構造体１２の発電面全面を一層均一かつ確実に冷却することが可能になるという効果が得られる。
【００６３】
なお、本実施形態では、第１の入口連絡流路５２の流路溝本数を第２の入口連絡流路５４の流路溝本数よりも少なく設定しているが、逆に前記第１の入口連絡流路５２の流路溝本数を前記第２の入口連絡流路５４の流路溝本数よりも多く設定してもよい。また、第１および第２の出口連絡流路５６、５８においても同様である。さらに、本実施形態では、流路溝本数をそれぞれ２本と６本として説明したが、これに限定されるものではなく、それぞれの流路溝本数が異なっていればよいため、種々の組み合わせが選択可能である。
【００６４】
さらにまた、第１および第２の入口バッファ部４４、４６と第１および第２の出口バッファ部４８、５０とを用いて説明したが、これに限定されるものではなく、例えば、冷却媒体入口連通孔２２ａおよび冷却媒体出口連通孔２２ｂに連通する３以上の入口バッファ部および出口バッファ部をそれぞれ設けてもよい。
【００６５】
【発明の効果】
本発明に係る燃料電池では、冷却媒体入口連通孔からそれぞれ入口連絡流路を介して２以上の入口バッファ部に供給された冷却媒体は、流路溝を介してセパレータ面方向に沿って移動した後、２以上の出口バッファ部から出口連絡流路を介して冷却媒体入口連通孔に排出される。
【００６６】
その際、それぞれの入口連絡流路の流路本数が異なる一方、それぞれの出口連絡流路の流路本数が異なっており、冷却媒体は、冷却媒体流路内で所望の流速および所望の流れ状態を確保することができる。これにより、冷却媒体をセパレータ面内に均一に流すことが可能になり、電極面全体を均一に冷却して安定した発電性能を得ることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明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説明図である。
【図３】第１金属プレートの一方の面の正面説明図である。
【図４】セパレータ内に形成される冷却媒体流路の斜視説明図である。
【図５】前記第１金属プレートの他方の面の正面説明図である。
【図６】第２セパレータの正面説明図である。
【図７】図４中、ＶＩＩ−ＶＩＩ線の断面図である。
【図８】図４中、ＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線の断面図である。
【図９】前記第２金属プレートの他方の面の正面説明図である。
【図１０】前記冷却媒体流路における各測定位置の説明図である。
【図１１】本実施形態と比較例とにおける前記各測定位置と流速との関係説明図である。
【図１２】本実施形態と比較例とにおける前記各測定位置と温度との関係説明図である。
【図１３】従来技術に係る燃料電池の一部断面説明図である。
【符号の説明】
１０…燃料電池１２…電解質膜・電極構造体
１３…セパレータ１４、１６…金属プレート
２０ａ…酸化剤ガス入口連通孔２０ｂ…酸化剤ガス出口連通孔
２２ａ…冷却媒体入口連通孔２２ｂ…冷却媒体出口連通孔
２４ａ…燃料ガス入口連通孔２４ｂ…燃料ガス出口連通孔
２６…固体高分子電解質膜２８…アノード側電極
３０…カソード側電極３２…酸化剤ガス流路
４２…冷却媒体流路３４、４４、４６…入口バッファ部
３６、４８、５０…出口バッファ部５２、５４…入口連絡流路
５６、５８…出口連絡流路６０〜９０…直線状流路溝
９６…燃料ガス流路[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel cell having an electrolyte / electrode structure configured by sandwiching an electrolyte between an anode side electrode and a cathode side electrode, and alternately stacking the electrolyte / electrode structure and a separator.
[0002]
[Prior art]
For example, a solid polymer fuel cell employs a solid polymer electrolyte membrane made of a polymer ion exchange membrane (cation exchange membrane). In this fuel cell, an electrolyte membrane / electrode structure (electrolyte / electrode structure) in which an anode side electrode and a cathode side electrode made of an electrode catalyst and porous carbon are provided on both sides of a solid polymer electrolyte membrane, respectively, is used as a separator. It is configured by being sandwiched between (bipolar plates). Usually, a fuel cell stack in which a predetermined number of the fuel cells are stacked is used.
[0003]
In this type of fuel cell, a fuel gas (reactive gas) supplied to the anode electrode, for example, a gas mainly containing hydrogen (hereinafter also referred to as a hydrogen-containing gas) is hydrogen ionized on the electrode catalyst, It moves to the cathode side electrode side through the electrolyte membrane. Electrons generated during that time are taken out to an external circuit and used as direct current electric energy. The cathode side electrode is supplied with an oxidant gas (reaction gas), for example, a gas mainly containing oxygen or air (hereinafter also referred to as oxygen-containing gas). Hydrogen ions, electrons and oxygen react to produce water.
[0004]
In the fuel cell, a fuel gas channel (reactive gas channel) for flowing a fuel gas facing the anode side electrode and an oxidant gas for the cathode side electrode are flowed in the plane of the separator. An oxidant gas flow path (reaction gas flow path) is provided. Further, between the separators, a cooling medium flow path for flowing the cooling medium is provided along the surface direction of the separator.
[0005]
This type of separator is usually made of a carbon-based material, but it has been pointed out that the carbon-based material cannot be thinned due to factors such as strength. Therefore, recently, a separator made of a thin metal plate (hereinafter also referred to as a metal separator), which is superior in strength to this type of carbon separator and can be easily thinned, is subjected to a pressing process on the metal separator to obtain a desired reaction gas. By shaping the flow path, a contrivance has been made to reduce the thickness of the metal separator to reduce the size and weight of the entire fuel cell.
[0006]
For example, the fuel cell 1 shown in FIG. 13 includes an electrolyte membrane / electrode structure 5 in which an electrolyte membrane 4 is interposed between an anode side electrode 2 and a cathode side electrode 3, and the electrolyte membrane / electrode structure 5. A pair of metal separators 6a and 6b is provided.
[0007]
The metal separator 6a is provided with a fuel gas flow path 7a for supplying fuel gas (for example, hydrogen-containing gas) on the surface facing the anode side electrode 2, while the metal separator 6b is provided with the cathode side electrode 3 An oxidant gas flow path 7b for supplying an oxidant gas (for example, an oxygen-containing gas such as air) is provided on the opposite surface. The metal separators 6a and 6b are provided with flat portions 8a and 8b that are in contact with the anode side electrode 2 and the cathode side electrode 3, and on the back surfaces (surfaces opposite to the contact surfaces) of the flat portions 8a and 8b. Cooling medium flow paths 9a and 9b for flowing the cooling medium are formed.
[0008]
However, in the metal separators 6a and 6b, when the flow path shapes of the fuel gas flow path 7a and the oxidant gas flow path 7b are set, the flow path shapes of the cooling medium flow paths 9a and 9b are inevitably determined. End up. In particular, in order to secure a long gas flow path length, when the fuel gas flow path 7a and the oxidant gas flow path 7b are configured as serpentine flow paths meandering in the electrode plane, the cooling medium flow paths 9a and 9b The flow path shape is significantly limited. As a result, a portion where the cooling medium stagnates is generated in the cooling medium flow path of the metal separators 6a and 6b, and the cooling medium cannot flow uniformly over the entire surface in the surface direction of the metal separators 6a and 6b. It has been pointed out that it is difficult to obtain stable power generation performance by cooling.
[0009]
Therefore, for example, Patent Document 1 includes a metal separator, which has two metal plates that are formed with unevenness and form a gas flow path, and is sandwiched between the two metal plates to form an unevenness, and is cooled on both sides. A fuel cell separator having an intermediate metal plate forming a water flow path is disclosed.
[0010]
[Patent Document 1]
JP 2002-75395 A (paragraphs [0009] to [0012], FIG. 3)
[0011]
[Problems to be solved by the invention]
However, in Patent Document 1 above, two metal plates in which a metal separator forms a gas flow path, and one intermediate metal plate that is sandwiched between the two metal plates to form a cooling water flow path on the front and back sides, A total of three metal plates are provided. For this reason, particularly when a fuel cell stack is configured by laminating a large number of metal separators, the number of parts is considerably increased, the dimensions of the metal separators in the stacking direction are increased, and the entire fuel cell stack is enlarged. There is a problem.
[0012]
The present invention solves this type of problem, and provides a fuel cell capable of flowing a cooling medium uniformly in the plane of the separator with a simple and small configuration and ensuring good power generation performance. The purpose is to provide.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
In the fuel cell according to claim 1 of the present invention, the separator alternately stacked with the electrolyte / electrode structure includes at least first and second metal plates stacked on each other, and the first and second metal plates. A cooling medium flow path is formed therebetween. The cooling medium flow path includes two or more inlet buffer parts communicating with the cooling medium inlet communication hole via the inlet communication flow path, and two or more outlet buffer parts communicating with the cooling medium outlet communication hole via the outlet communication flow path. And a channel groove extending along the separator surface direction and communicating the two or more inlet buffer portions and the two or more outlet buffer portions.
[0014]
For this reason, between the first and second metal plates, after the cooling medium is divided and supplied from the cooling medium inlet communication hole to two or more inlet buffer parts, the cooling medium is supplied to the two or more outlet buffer parts through the flow channel. It is introduced and further discharged to the cooling medium outlet communication hole.
[0015]
Further, the first and second inlet communication channels connecting at least the first and second inlet buffer portions to the cooling medium inlet communication hole have different numbers of channels, while at least the first and second outlets. The first and second outlet communication channels that connect the buffer unit to the cooling medium outlet communication hole have different numbers of channels.
[0016]
Therefore, the cooling medium does not cancel out pressures in the cooling medium flow path, and a desired flow velocity and a desired flow state can be secured, and the cooling medium can flow uniformly in the separator surface. For this reason, the whole electrode surface can be uniformly cooled to obtain stable power generation performance.
[0017]
In the fuel cell according to claim 2 of the present invention, a fuel gas flow path including a flow path for supplying and bending the fuel gas along the surface direction of the anode side electrode is provided on one surface of the first metal plate. On the other hand, on one surface of the second metal plate, an oxidant gas flow path including a flow path for supplying and bending the oxidant gas along the surface direction of the cathode side electrode is provided.
[0018]
The other surface of the first metal plate is provided with a first inlet buffer portion and a second outlet buffer portion communicating with the cooling medium inlet communication hole and the cooling medium outlet communication hole, and other than the second metal plate. The surface communicates with the cooling medium inlet communication hole and the cooling medium outlet communication hole and is located at a position different from the first inlet buffer section and the second outlet buffer section. The outlet buffer section is provided.
[0019]
As a result, the first and second metal plates can compensate each other for the portions where the flow path shape is restricted by providing the fuel gas flow path and the oxidant gas flow path including the bent flow path, respectively. Therefore, it is possible to reliably form a cooling medium flow path having a desired shape in the separator with a simple configuration.
[0020]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 is an exploded perspective view of a main part of a fuel cell 10 according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a partial cross-sectional explanatory view of the fuel cell 10.
[0021]
The fuel cell 10 is configured by alternately laminating electrolyte membrane / electrode structures (electrolyte / electrode structures) 12 and separators 13, and the separators 13 are composed of first and second metals stacked on each other. Plates 14 and 16 are provided.
[0022]
As shown in FIG. 1, one end edge of the electrolyte membrane / electrode structure 12 and the separator 13 in the direction of arrow B communicates with each other in the direction of arrow A, which is the stacking direction, and an oxidant gas (reactive gas), for example, , An oxidant gas inlet communication hole 20a for supplying an oxygen-containing gas, a cooling medium inlet communication hole 22a for supplying a cooling medium, and a fuel gas (reactive gas), for example, a fuel for discharging a hydrogen-containing gas The gas outlet communication holes 24b are arranged in the arrow C direction (vertical direction).
[0023]
The other end edge of the electrolyte membrane / electrode structure 12 and the separator 13 in the direction of arrow B communicates with each other in the direction of arrow A, and the fuel gas inlet communication hole 24a for supplying fuel gas and the cooling medium are discharged. A cooling medium outlet communication hole 22b for discharging and an oxidant gas outlet communication hole 20b for discharging the oxidant gas are arranged in the direction of arrow C.
[0024]
The electrolyte membrane / electrode structure 12 includes, for example, a solid polymer electrolyte membrane 26 in which a perfluorosulfonic acid thin film is impregnated with water, and an anode side electrode 28 and a cathode side electrode that sandwich the solid polymer electrolyte membrane 26. 30.
[0025]
The anode side electrode 28 and the cathode side electrode 30 include a gas diffusion layer made of carbon paper or the like, and an electrode catalyst layer in which porous carbon particles having a platinum alloy supported on the surface are uniformly applied to the surface of the gas diffusion layer. Respectively. The electrode catalyst layers are bonded to both surfaces of the solid polymer electrolyte membrane 26 so as to face each other with the solid polymer electrolyte membrane 26 interposed therebetween.
[0026]
As shown in FIGS. 1 and 3, an oxidant gas channel 32 is provided on the surface 14a of the first metal plate 14 on the electrolyte membrane / electrode structure 12 side. The oxidant gas inlet communication hole 20a communicates with the oxidant gas outlet communication hole 20b. The oxidant gas flow path 32 includes an inlet buffer part 34 and an outlet buffer part 36 provided in the vicinity of the oxidant gas inlet communication hole 20a and the oxidant gas outlet communication hole 20b, and includes the inlet buffer part 34 and the outlet buffer. The part 36 includes a plurality of embosses 34a and 36a.
[0027]
The inlet buffer unit 34 and the outlet buffer unit 36 communicate with each other through three oxidant gas flow channel grooves 38a, 38b and 38c. The oxidant gas flow channel grooves 38a to 38c extend in the direction of the arrow C while meandering in the direction of the arrow B. Specifically, the oxidant gas flow channel grooves 38a to 38c have two return portions T1 and T2 and one in the direction of the arrow B. A reciprocating half-bending flow path is formed.
[0028]
The surface 14a of the first metal plate 14 is provided with a linear seal 40 that covers the oxidant gas inlet communication hole 20a, the oxidant gas outlet communication hole 20b, and the oxidant gas flow path 32 and seals the oxidant gas. .
[0029]
A cooling medium flow path 42 is integrally formed on the surfaces 14b and 16a of the first metal plate 14 and the second metal plate 16 facing each other. As shown in FIG. 4, the cooling medium flow path 42 includes two or more, for example, first and second inlet buffer portions 44 and 46 provided in the vicinity of both ends of the cooling medium inlet communication hole 22a in the direction of arrow C, Two or more, for example, first and second outlet buffer portions 48 and 50 provided near both sides of the medium outlet communication hole 22b in the direction of arrow C are provided. The first and second inlet buffer portions 44 and 46 and the first and second outlet buffer portions 48 and 50 are constituted by a plurality of embosses 44a, 46a, 48a and 50a.
[0030]
The cooling medium inlet communication hole 22a and the first and second inlet buffer portions 44 and 46 communicate with each other via the first and second inlet communication channels 52 and 54, while the cooling medium outlet communication hole 22b and the first communication hole 22b. The first and second outlet buffer sections 48 and 50 communicate with each other via first and second outlet communication channels 56 and 58. The first inlet communication channel 52 includes, for example, two channel grooves, while the second inlet communication channel 54 includes, for example, six channel grooves. Similarly, the first outlet communication channel 56 is provided with six channel grooves, while the second outlet communication channel 58 is provided with two channel grooves.
[0031]
The first inlet communication channel 52 and the second inlet communication channel 54 are set so that the number of the respective channels is different, and is not limited to two and six. The same applies to the first and second outlet communication channels 56 and 58.
[0032]
The first inlet buffer portion 44 and the first outlet buffer portion 48 communicate with each other via linear flow channel grooves 60, 62, 64 and 66 extending in the direction of arrow B, and the second inlet buffer portion 46 and the second outlet buffer section 50 communicate with each other through linear flow channel grooves 68, 70, 72 and 74 extending in the direction of arrow B. Between the linear flow channel grooves 66 and 68, linear flow channel grooves 76 and 78 are provided so as to extend a predetermined length in the arrow B direction.
[0033]
The linear flow channel grooves 60 to 74 communicate with each other via linear flow channel grooves 80 and 82 extending in the direction of arrow C. The straight flow channel grooves 62 to 78 communicate with each other via straight flow channel grooves 84 and 86 extending in the direction of arrow C, and the straight flow channel grooves 64, 66 and 76 and the straight flow channel grooves 68, 70 and 78 communicate with each other via linear flow channel grooves 88 and 92 extending intermittently in the direction of arrow C.
[0034]
The cooling medium flow path 42 is distributed to the first metal plate 14 and the second metal plate 16, and the cooling medium flow path 42 is formed by overlapping the first and second metal plates 14, 16 with each other. It is formed. As shown in FIG. 5, a part of the cooling medium flow path 42 is formed on the surface 14b of the first metal plate 14 so as to avoid the oxidant gas flow path 32 formed on the surface 14a side.
[0035]
In addition, although the oxidant gas flow path 32 formed in the surface 14a protrudes on the surface 14b in a convex shape, the convex portion is not shown for easy understanding of the cooling medium flow channel 42. Similarly, the surface 16a shown in FIG. 6 is omitted from the drawing, but a fuel gas channel 96 formed on the surface 16b protrudes in a convex shape on the surface 16a.
[0036]
The surface 14b communicates with the cooling medium inlet communication hole 22a via two flow grooves, and communicates with the cooling medium outlet communication hole 22b via two flow grooves. A second outlet buffer unit 50 is provided.
[0037]
In the first inlet buffer portion 44, the groove portions 60a, 62a, 64a and 66a are intermittently provided along the arrow B direction so as to avoid the return portion T2 and the outlet buffer portion 36 of the oxidant gas flow channel grooves 38a to 38c. And a predetermined length. In the second outlet buffer 50, grooves 68a, 70a, 72a and 74a are predetermined along the arrow B direction so as to avoid the return portion T1 and the inlet buffer 34 of the oxidant gas passage grooves 38a to 38c. It is provided in the position.
[0038]
The groove portions 60a to 78a constitute part of the linear flow channel grooves 60 to 78, respectively. The groove portions 80a to 90a constituting a part of the linear flow channel grooves 80 to 90 are provided over a predetermined length in the direction of arrow C so as to avoid meandering oxidant gas flow channel grooves 38a to 38c.
[0039]
As shown in FIG. 6, a part of the cooling medium flow path 42 is formed on the surface 16a of the second metal plate 16 so as to avoid a fuel gas flow path 96 described later. Specifically, a second inlet buffer portion 46 communicating with the cooling medium inlet communication hole 22a and a first outlet buffer portion 48 constituting the cooling medium outlet communication hole 22b are provided.
[0040]
While the groove portions 68b to 74b constituting the straight flow passage grooves 68 to 74 are intermittently communicated with the second inlet buffer portion 46 in a predetermined length along the arrow B direction, Grooves 60b to 66b constituting the straight flow path grooves 60 to 66 are set in a predetermined shape and communicated with the part 48. On the surface 16a, groove portions 80b to 90b constituting the straight flow path grooves 80 to 90 are provided extending in the direction of the arrow C.
[0041]
The cooling medium flow path 42 is configured so that a part of the straight flow path grooves 60 to 78 extending in the direction of the arrow B is opposite to each other by the groove sections 60a to 78a and 60b to 78b. The main flow path is configured to be twice as large as the portion (see FIGS. 4 and 7). The straight channel grooves 80 to 90 are partly polymerized and distributed to the first and second metal plates 14 and 16, respectively (see FIG. 8). A linear seal 40a is interposed between the surface 14a of the first metal plate 14 and the surface 16a of the second metal plate 16 so as to surround the cooling medium flow path 42.
[0042]
As shown in FIG. 9, a fuel gas channel 96 is provided on the surface 16 b of the second metal plate 16 on the electrolyte membrane / electrode structure 12 side. The fuel gas flow path 96 includes an inlet buffer portion 98 provided in the vicinity of the fuel gas inlet communication hole 24a and an outlet buffer portion 100 provided in the vicinity of the fuel gas outlet communication hole 24b.
[0043]
The inlet buffer unit 98 and the outlet buffer unit 100 are configured by a plurality of embosses 98a and 100a, and communicate with each other via, for example, three fuel gas flow channel grooves 102a, 102b, and 102c. The fuel gas flow channel grooves 102a to 102c extend in the direction of the arrow C while meandering in the direction of the arrow B. The two return portions T3 and T4 are provided to form a flow path that is bent substantially in one reciprocal half. is doing. A linear seal 40b surrounding the fuel gas flow path 96 is provided on the surface 16b.
[0044]
The operation of the fuel cell 10 according to this embodiment configured as described above will be described below.
[0045]
As shown in FIG. 1, a fuel gas such as a hydrogen-containing gas is supplied to the fuel gas inlet communication hole 24a, and an oxidant gas such as an oxygen-containing gas is supplied to the oxidant gas inlet communication hole 20a. Further, a cooling medium such as pure water, ethylene glycol, or oil is supplied to the cooling medium inlet communication hole 22a.
[0046]
The oxidant gas is introduced into the oxidant gas channel 32 of the first metal plate 14 from the oxidant gas inlet communication hole 20a. In the oxidant gas flow path 32, as shown in FIG. 3, the oxidant gas is once introduced into the inlet buffer 34 and then dispersed in the oxidant gas flow path grooves 38a to 38c. For this reason, the oxidant gas moves along the cathode side electrode 30 of the electrolyte membrane / electrode structure 12 while meandering through the oxidant gas flow channel grooves 38a to 38c.
[0047]
On the other hand, the fuel gas is introduced into the fuel gas channel 96 of the second metal plate 16 from the fuel gas inlet communication hole 24a. In the fuel gas channel 96, as shown in FIG. 9, the fuel gas is once introduced into the inlet buffer portion 98 and then dispersed in the fuel gas channel grooves 102a to 102c. Further, the fuel gas meanders through the fuel gas flow channel grooves 102 a to 102 c and moves along the anode side electrode 28 of the electrolyte membrane / electrode structure 12.
[0048]
Therefore, in the electrolyte membrane / electrode structure 12, the oxidant gas supplied to the cathode side electrode 30 and the fuel gas supplied to the anode side electrode 28 are consumed by an electrochemical reaction in the electrode catalyst layer to generate power. Is done.
[0049]
Next, the consumed fuel gas supplied to the anode side electrode 28 is discharged from the outlet buffer unit 100 to the fuel gas outlet communication hole 24b. Similarly, the oxidant gas consumed by being supplied to the cathode side electrode 30 is discharged from the outlet buffer 36 to the oxidant gas outlet communication hole 20b.
[0050]
On the other hand, the cooling medium supplied to the cooling medium inlet communication hole 22 a is introduced into the cooling medium flow path 42 formed between the first and second metal plates 14 and 16. In the cooling medium flow path 42, as shown in FIG. 4, the first and second inlets 52 and 54 extend from the cooling medium inlet communication hole 22a in the direction of the arrow C. The cooling medium is once introduced into the inlet buffer sections 44 and 46.
[0051]
The cooling medium introduced into the first and second inlet buffer portions 44 and 46 is dispersed in the linear flow channel grooves 60 to 66 and 68 to 74 and moves in the horizontal direction (arrow B direction). Are supplied to the straight flow channel grooves 80 to 90 and 76, 78. Therefore, after the cooling medium is supplied over the entire area of the power generation surface of the electrolyte membrane / electrode structure 12, it is once introduced into the first and second outlet buffer sections 48 and 50, and further the first and second outlets. It is discharged to the cooling medium outlet communication hole 22b through the communication flow paths 56 and 58.
[0052]
In this case, in the present embodiment, the cooling medium flow path 42 formed between the first and second metal plates 14 and 16 is connected to the cooling medium inlet communication hole 22a. 46, and first and second outlet buffer portions 48 and 50 communicating with the cooling medium outlet communication hole 22b are provided. Therefore, the cooling medium branches from the cooling medium inlet communication hole 22a in the direction of the arrow C and is once introduced into the first and second inlet buffer portions 44 and 46, and then passes through the linear flow channel grooves 60 to 90. Then, it moves in the direction of the power generation surface, and is once introduced into the first and second outlet buffer sections 48 and 50 and discharged into the cooling medium outlet communication hole 22b.
[0053]
At this time, a part of the cooling medium flow path 42 is formed in the first metal plate 14 corresponding to a position where the oxidant gas flow path 32 that is press-formed from the surface 14a side is avoided. Specifically, as shown in FIG. 3, a first inlet buffer 44 is provided below the cooling medium inlet communication hole 22a avoiding the inlet buffer 34, and a cooling medium outlet is avoided by avoiding the outlet buffer 36. A second outlet buffer unit 50 is provided above the communication hole 22b. Further, groove portions 60a to 90a each having a predetermined shape are formed while avoiding meandering oxidant gas flow channel grooves 38a to 38c (see FIGS. 3 and 5).
[0054]
On the other hand, a part of the cooling medium flow path 42 is formed on the surface 16a of the second metal plate 16 so as to avoid the fuel gas flow path 96 formed on the surface 16b. Specifically, as shown in FIG. 9, a second inlet buffer unit 46 is provided above the cooling medium inlet communication hole 22 a avoiding the outlet buffer unit 100, and the cooling medium outlet is avoided while avoiding the inlet buffer unit 98. A first outlet buffer 48 is provided below the communication hole 22b. Further, the groove portions 60b to 90b are set in a predetermined shape so as to avoid the meandering fuel gas passage grooves 102a to 102c (see FIGS. 6 and 9).
[0055]
Thereby, the 1st and 2nd metal plates 14 and 16 can mutually compensate the site | part by which the flow path shape is restrict | limited by providing the oxidizing gas flow path 32 and the fuel gas flow path 96, respectively. Therefore, it is possible to reliably form the coolant flow path 42 having a desired shape in the separator 13 with a simple configuration.
[0056]
In the present embodiment, the first and second inlet communication channels 52 and 54 that connect the cooling medium inlet communication hole 22a and the first and second inlet buffer portions 44 and 46 are provided. One inlet communication channel 52 is constituted by, for example, two channel grooves, while the second inlet communication channel 54 is constituted by, for example, six channel grooves.
[0057]
Further, in the first and second outlet communication channels 56 and 58 that connect the cooling medium outlet communication hole 22b and the first and second outlet buffer portions 48 and 50, the first outlet communication channel is similarly applied. 56 is composed of, for example, six flow channel grooves, while the second outlet communication flow channel 58 is composed of, for example, two flow channel grooves.
[0058]
For this reason, as shown in FIG. 10, at the position P1 in the vicinity of the first inlet buffer section 44 and the position P2 in the vicinity of the second inlet buffer section 46, the cooling medium inlet communication hole 22a reaches the position P1. The flow path resistance is larger than the flow path resistance from the cooling medium inlet communication hole 22a to the position P2. Therefore, the pressure of the cooling medium at the position P2 becomes larger than the pressure of the cooling medium at the position P1, and the cooling medium is prevented from being stagnation, so that the flow of the cooling medium in the cooling medium flow path 42 is smooth and uniform. The effect of being adjusted is obtained.
[0059]
That is, the first and second inlet communication channels 52 and 54 are set to the same number of channel grooves, and the first and second outlet communication channels 56 and 58 are set to the same number of channel grooves. Using the example and this embodiment, the flow rate and temperature distribution in the cooling medium flow path 42 were confirmed. The confirmation was performed in a region centered on positions Pa, Pb, Pc, and Pd set along a center line T connecting the cooling medium inlet communication hole 22a and the cooling medium outlet communication hole 22b. As shown in FIG. 10, the positions Pa and Pd are end positions of the cooling medium flow path 42, and the distance (H) between the position Pb and the position Pa and the distance (H) between the position Pc and the position Pd are: It was set to 1/2 of the flow path width (2H) of the cooling medium flow path 42.
[0060]
As a result, in the comparative example, since the pressures at the positions P1 and P2 are substantially the same, the pressure is supplied from the first and second inlet buffer units 44 and 46 in the vicinity of the position Pa as shown in FIG. The flow rates between the cooling media will cancel each other. Accordingly, in the vicinity of the positions Pa to Pd on the center line T, a decrease in the flow rate of the cooling medium is caused. On the other hand, in the present embodiment, since the pressure at the position P2 is larger than the pressure at the position P1, a pressure difference is caused, and the decrease in the flow velocity is effective along the vicinity of the positions Pa to Pd on the center line T. Reduced.
[0061]
Further, as shown in FIG. 12, in the vicinity of the positions Pa and Pb and in the vicinity of the positions Pc and Pd, a temperature rise was caused due to a poor flow of the cooling medium in the comparative example. On the other hand, in the present embodiment, the cooling medium can flow smoothly due to the pressure difference, and the temperature distribution in which the temperature rises at a constant inclination angle from the cooling medium inlet communication hole 22a toward the cooling medium outlet communication hole 22b. Obtained.
[0062]
Thereby, in this embodiment, a cooling medium can be smoothly and reliably flowed in the cooling medium flow path 42, and the whole power generation surface of the electrolyte membrane / electrode structure 12 can be cooled more uniformly and reliably. The effect of becoming.
[0063]
In the present embodiment, the number of channel grooves of the first inlet communication channel 52 is set to be smaller than the number of channel grooves of the second inlet communication channel 54, but conversely the first inlet The number of channel grooves of the communication channel 52 may be set larger than the number of channel grooves of the second inlet communication channel 54. The same applies to the first and second outlet communication channels 56 and 58. Furthermore, in the present embodiment, the number of flow channel grooves has been described as 2 and 6, respectively. However, the present invention is not limited to this, and the number of flow channel grooves may be different. Selectable.
[0064]
Furthermore, the first and second inlet buffer units 44 and 46 and the first and second outlet buffer units 48 and 50 have been described. However, the present invention is not limited to this example. Three or more inlet buffer portions and outlet buffer portions that communicate with the communication hole 22a and the cooling medium outlet communication hole 22b may be provided.
[0065]
【The invention's effect】
In the fuel cell according to the present invention, the cooling medium supplied from the cooling medium inlet communication hole to each of the two or more inlet buffer sections via the inlet communication flow path has moved along the separator surface direction via the flow path groove. Thereafter, the refrigerant is discharged from the two or more outlet buffer portions to the cooling medium inlet communication hole via the outlet communication channel.
[0066]
At that time, the number of channels of each inlet communication channel is different while the number of channels of each outlet communication channel is different, and the cooling medium has a desired flow rate and a desired flow state in the cooling medium channel. Can be secured. As a result, the cooling medium can be made to flow uniformly in the separator surface, and the entire electrode surface can be uniformly cooled to obtain stable power generation performance.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an exploded perspective view of a main part of a fuel cell according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a partial cross-sectional explanatory view of the fuel cell.
FIG. 3 is a front explanatory view of one surface of a first metal plate.
FIG. 4 is a perspective explanatory view of a cooling medium flow path formed in the separator.
FIG. 5 is a front explanatory view of the other surface of the first metal plate.
FIG. 6 is a front explanatory view of a second separator.
7 is a cross-sectional view taken along line VII-VII in FIG.
8 is a cross-sectional view taken along line VIII-VIII in FIG.
FIG. 9 is a front explanatory view of the other surface of the second metal plate.
FIG. 10 is an explanatory diagram of each measurement position in the cooling medium flow path.
FIG. 11 is an explanatory diagram of a relationship between each measurement position and a flow velocity in the present embodiment and a comparative example.
FIG. 12 is a diagram illustrating the relationship between each measurement position and temperature in the present embodiment and a comparative example.
FIG. 13 is a partial cross-sectional explanatory view of a fuel cell according to the prior art.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Fuel cell 12 ... Electrolyte membrane and electrode structure
13 ... Separator 14, 16 ... Metal plate
20a ... Oxidant gas inlet communication hole 20b ... Oxidant gas outlet communication hole
22a ... Cooling medium inlet communication hole 22b ... Cooling medium outlet communication hole
24a ... Fuel gas inlet communication hole 24b ... Fuel gas outlet communication hole
26 ... Solid polymer electrolyte membrane 28 ... Anode side electrode
30 ... Cathode side electrode 32 ... Oxidant gas flow path
42 ... Cooling medium flow path 34, 44, 46 ... Inlet buffer section
36, 48, 50 ... Outlet buffer 52, 54 ... Inlet communication channel
56, 58 ... outlet communication channel 60-90 ... linear channel groove
96 ... Fuel gas flow path

Claims

An electrolyte / electrode structure having an electrolyte sandwiched between an anode electrode and a cathode electrode, the electrolyte / electrode structure and the separator are alternately stacked, and the reaction gas inlet penetrates in the stacking direction. A fuel cell in which a communication hole, a cooling medium inlet communication hole, a reaction gas outlet communication hole and a cooling medium outlet communication hole are formed,
The separator includes at least first and second metal plates stacked on each other, and a cooling medium flow path is formed between the first and second metal plates,
The cooling medium flow path includes two or more inlet buffer portions communicating with the cooling medium inlet communication hole via an inlet communication flow path;
Two or more outlet buffer portions communicating with the cooling medium outlet communication hole via an outlet communication channel;
A flow path groove extending along the separator surface direction and communicating the two or more inlet buffer portions and the two or more outlet buffer portions;
Provided,
The first and second inlet communication channels that connect at least the first and second inlet buffer sections to the cooling medium inlet communication hole have different numbers of channels,
1. The fuel cell according to claim 1, wherein the first and second outlet communication channels connecting at least the first and second outlet buffer portions to the cooling medium outlet communication hole have different numbers of channels.

2. The fuel cell according to claim 1, wherein one surface of the first metal plate is provided with a fuel gas flow path including a flow path for supplying and bending the fuel gas along the surface direction of the anode side electrode. One surface of the second metal plate is provided with an oxidant gas flow path including a flow path for supplying and bending the oxidant gas along the surface direction of the cathode side electrode,
The other surface of the first metal plate is provided with a first inlet buffer portion and a second outlet buffer portion communicating with the cooling medium inlet communication hole and the cooling medium outlet communication hole,
The other surface of the second metal plate communicates with the cooling medium inlet communication hole and the cooling medium outlet communication hole and is secondly located at a position different from the first inlet buffer section and the second outlet buffer section. The fuel cell is provided with an inlet buffer portion and a first outlet buffer portion.