JP4523089B2

JP4523089B2 - Fuel cell stack

Info

Publication number: JP4523089B2
Application number: JP10320099A
Authority: JP
Inventors: 洋介藤井; 征治鈴木
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 1999-04-09
Filing date: 1999-04-09
Publication date: 2010-08-11
Anticipated expiration: 2019-04-09
Also published as: JP2000294261A

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る単位燃料電池セルを、セパレータを介して複数個積層した燃料電池スタックに関する。
【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単位燃料電池セルを、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。この固体高分子型燃料電池は、通常、単位燃料電池セルおよびセパレータを所定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、水素ガスは、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ガス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（電極面）に導電性を有する多孔質層、例えば、多孔質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、各セパレータの互いに対向する面には、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】
この場合、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。
【０００６】
そこで、例えば、特開平６−２６７５６４号公報に開示されているように、アノード極に燃料を供給する燃料流路を有した燃料配流板と、カソード極に酸化剤を供給する酸化剤流路を有した酸化剤配流板とを具備し、前記酸化剤配流板の酸化剤流路の深さあるいは幅のうち、少なくともいずれか一方を酸化剤の上流流路域から下流流路域に沿って徐々に小さくした燃料電池が知られている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、燃料ガスおよび酸化剤ガスをそれぞれ電極面に十分に供給するために、ガス流路がセパレータの面方向に蛇行して、あるいは周回して設けられている。このため、ガス流路がセパレータの面内で相当に長尺化しており、上記の従来技術では、酸化剤流路の上流流路域の深さが大きくなって前記セパレータ自体が相当に肉厚なものとなってしまう。これにより、燃料電池全体の小型化が容易に遂行されないという問題が指摘されている。しかも、ガス流路の上流から下流に向かって深さを徐々に小さくする加工作業が、極めて煩雑なものとなるという問題がある。
【０００８】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、良好なガス拡散性および排水性を確保するとともに、有効に小型化することが可能な燃料電池スタックを提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る燃料電池スタックでは、セパレータの面内に燃料ガスまたは酸化剤ガスの少なくともいずれかを含む流体を流す流体用通路を設けるとともに、この流体用通路は、ガス入口側からガス出口に向かって溝本数が減少する第１および第２ガス流路溝を備え、複数本の前記第１および第２ガス流路溝が一体的に合流する複数の集合部が設けられている。このため、セパレータの面内で流体が消費される際、第１ガス流路溝から第２ガス流路溝に溝本数が減少することにより、ガス出口側の単位面積当たりの反応分子数がガス入口側に比べて減少することがなく、電極面内での反応の均一化を図ることができる。
【００１０】
しかも、複数本の第１および第２ガス流路溝の合流部位に集合部が設けられている。従って、集合部で流体に乱流が惹起され、電極面に対する燃料ガスおよび／または酸化剤ガスのガス拡散性を向上させることが可能になる。
【００１１】
さらに、複数本の第１ガス流路溝から排出された燃料ガスおよび／または酸化剤ガスを集合部で合流させた後、複数本の第２ガス流路溝に分配している。このため、複数本の第２ガス流路溝間のガスの分配が均一に行われる。
【００１２】
また、燃料電池スタックでは、第２ガス流路溝が２本以上に設定されているため、一方の第２ガス流路溝が生成水の結露等により閉塞しても、別の第２ガス流路溝に流体を流すことができる。これにより、セパレータの面内でガスの供給不足による濃度過電圧の増加を防止することができ、セル電圧を安定して得ることが可能になる。
【００１３】
さらにまた、燃料電池スタックでは、第１ガス流路溝と第２ガス流路溝とが集合部を介して流れ方向を反転させている。このため、セパレータの面内には、発電面に対して隙間なく流体用通路を配置することができ、発電性能を有効に維持することが可能になる。
【００１４】
【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スタック１０の要部分解斜視図であり、図２は、前記燃料電池スタック１０の概略縦断面説明図である。
【００１５】
燃料電池スタック１０は、単位燃料電池セル１２と、この単位燃料電池セル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。燃料電池スタック１０は、全体として直方体状を有しており、例えば、短辺方向（矢印Ａ方向）が重力方向に指向するとともに、長辺方向（矢印Ｂ方向）が水平方向に指向して配置される。
【００１６】
単位燃料電池セル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、多孔質層である多孔質カーボンペーパ等からなる第１および第２ガス拡散層２４、２６が配設される。
【００１７】
単位燃料電池セル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。単位燃料電池セル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。
【００１８】
図１および図３に示すように、第１セパレータ１４は、アノード側電極２０に対向する面１４ａおよび反対側の面１４ｂが長方形状に設定されており、例えば、長辺３５ａが水平方向に指向するとともに、短辺３５ｂが重力方向に指向して配置される。長辺３５ａと短辺３５ｂとの比は、例えば、１．５〜３：１程度に設定されている。
【００１９】
第１セパレータ１４の短辺３５ｂ側の両端縁部上部側には、水素ガス等の燃料ガスを通過させるための燃料ガス入口３６ａと、酸素ガスまたは空気である酸化剤ガスを通過させるための酸化剤ガス入口３８ａとが設けられる。第１セパレータ１４の短辺３５ｂ側の両端縁部略中央側には、純水やエチレングリコールやオイル等の冷却媒体を通過させるための冷却媒体入口４０ａおよび冷却媒体出口４０ｂが設けられるとともに、前記第１セパレータ１４の短辺３５ｂ側の両端縁部下部側には、燃料ガス出口３６ｂと酸化剤ガス出口３８ｂとが燃料ガス入口３６ａおよび酸化剤ガス入口３８ａとは対角の位置に設けられている。
【００２０】
第１セパレータ１４の面１４ａには、燃料ガス入口３６ａと燃料ガス出口３６ｂとに連通する燃料ガス流路（流体用通路）４２が形成される。燃料ガス流路４２は、複数本、例えば、６本（２ｍ本）の第１ガス流路溝４４ａ〜４４ｆを備えており、前記第１ガス流路溝４４ａ〜４４ｆの一端側が燃料ガス入口３６ａに連通する。
【００２１】
第１ガス流路溝４４ａ〜４４ｆは、燃料ガス入口３６ａ側から酸化剤ガス入口３８ａ側に向かって水平方向（矢印Ｂ方向）に延在した後、下方向（矢印Ａ方向）に屈曲し、さらに冷却媒体入口４０ａ側から冷却媒体出口４０ｂ側に向かって水平方向に延在する。冷却媒体出口４０ｂの近傍では３本（ｍ本）の第１ガス流路溝４４ａ〜４４ｃが第１集合部４６に合流するとともに、残り３本（ｍ本）の第１ガス流路溝４４ｄ〜４４ｆが第２集合部４８に合流する。
【００２２】
第１および第２集合部４６、４８には、それぞれ２本（ｎ本）の第２ガス流路溝５０ａ、５０ｂおよび５０ｃ、５０ｄが連通し、前記第２ガス流路溝５０ａ〜５０ｄが水平方向に延在して燃料ガス出口３６ｂに連通する。第１および第２集合部４６、４８の流路断面積は、それぞれ第２ガス流路溝５０ａ、５０ｂおよび５０ｃ、５０ｄの合計流路断面積と同等に設定されている。
【００２３】
図４に示すように、セパレータ１４の面１４ａとは反対側の面１４ｂには、冷却媒体入口４０ａと冷却媒体出口４０ｂとに連通して冷却媒体流路（流体用通路）５２ａ〜５２ｄが設けられる。冷却媒体流路５２ａ〜５２ｄは、冷却媒体入口４０ａおよび冷却媒体出口４０ｂに連通するそれぞれ１本の主流路溝５４ａ、５４ｂと、前記主流路溝５４ａ、５４ｂ間に設けられる複数本、例えば、４本の分岐流路溝５６とを備える。
【００２４】
図１に示すように、第２セパレータ１６は長方形状に形成されており、この第２セパレータ１６の短辺側の両端縁部上部側には、燃料ガス入口５８ａおよび酸化剤ガス入口６０ａが貫通形成されるとともに、その両端縁部略中央部には、冷却媒体入口６２ａおよび冷却媒体出口６２ｂが貫通形成される。第２セパレータ１６の短辺側の両端縁部下部側には、燃料ガス出口５８ｂおよび酸化剤ガス出口６０ｂが燃料ガス入口５８ａおよび酸化剤ガス入口６０ａと対角位置になるように貫通形成されている。
【００２５】
第２セパレータ１６のカソード側電極２２に対向する面１６ａには、図２に示すように、酸化剤ガス入口６０ａと酸化剤ガス出口６０ｂとを連通する酸化剤ガス流路（流体用通路）６４が形成される。酸化剤ガス流路６４では、燃料ガス流路４２と同様に、第１ガス流路溝６６ａ〜６６ｆと第２ガス流路溝６８ａ〜６８ｄとが図示しない第１および第２集合部を介して連通形成されており、その詳細な説明は省略する。
【００２６】
第２セパレータ１６の面１６ａとは反対側の面１６ｂには、図１に示すように、冷却媒体入口６２ａと冷却媒体出口６２ｂとを連通する冷却媒体流路７０ａ〜７０ｄが形成される。冷却媒体流路７０ａ〜７０ｄは、第１セパレータ１４に設けられている冷却媒体流路５２ａ〜５２ｄと同様に構成されており、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。
【００２７】
このように構成される第１の実施形態に係る燃料電池スタック１０の動作について、以下に説明する。
【００２８】
燃料電池スタック１０内には、燃料ガス（例えば、炭化水素を改質した水素を含むガス）が供給されるとともに、酸化剤ガスとして空気（または酸素ガス）が供給され、この燃料ガスが第１セパレータ１４の燃料ガス入口３６ａから燃料ガス流路４２に導入される。図３に示すように、燃料ガス流路４２に供給された燃料ガスは、第１ガス流路溝４４ａ〜４４ｆに導入されて第１セパレータ１４の面１４ａの長辺方向（矢印Ｂ方向）に沿って蛇行しながら重力方向に移動する。
【００２９】
その際、燃料ガス中の水素ガスは、第１ガス拡散層２４を通って単位燃料電池セル１２のアノード側電極２０に供給される。そして、未使用の燃料ガスは、第１ガス流路溝４４ａ〜４４ｆを通って第１および第２集合部４６、４８に一旦導入された後、第２ガス流路溝５０ａ〜５０ｄに分配されて矢印Ｂ方向に移動しながらアノード側電極２０に供給される一方、残余の燃料ガスが燃料ガス出口３６ｂから排出される。
【００３０】
この場合、第１の実施形態では、燃料ガス入口３６ａに６本（２ｍ本）の第１ガス流路溝４４ａ〜４４ｆが連通し、第１ガス流路溝４４ａ〜４４ｆがその途上で４本（２ｎ本）の第２ガス流路溝５０ａ〜５０ｄに連通した後、燃料ガス出口３６ｂに連通している。従って、第１セパレータ１４の面１４ａ内において、燃料ガス入口３６ａから燃料ガス出口３６ｂに向かって溝本数が削減され、ガス消費による単位面積当たりの分子数の減少を阻止するとともに、前記燃料ガス出口３６ｂ側のガス流速を増加させることができる。このため、燃料ガス出口３６ｂ近傍に発生する反応生成水をガス流速の増加によって有効に前記燃料ガス出口３６ｂに排出させることが可能になり、排水性の向上を図ることができる。
【００３１】
また、第１ガス流路溝４４ａ〜４４ｆと第２ガス流路溝５０ａ〜５０ｄとの合流部位に、第１および第２集合部４６、４８が設けられている。これにより、第１ガス流路溝４４ａ〜４４ｃおよび４４ｄ〜４４ｆに沿って供給される燃料ガスは、一旦、第１および第２集合部４６、４８に導入されるため、前記第１および第２集合部４６、４８でガスの乱流が惹起され、燃料ガス中の水素ガスをアノード側電極２０に対して有効に拡散供給することが可能になるという効果が得られる。しかも、３本の第１ガス流路溝４４ａ〜４４ｃから排出された燃料ガスを第１集合部４６で合流させた後、２本の第２ガス流路溝５０ａ、５０ｂに分配している。このため、２本の第２ガス流路溝５０ａ、５０ｂ間の燃料ガスの分配が均一に行われるという利点がある。なお、他の２本の第２ガス流路溝５０ｃ、５０ｄにおいても、同様である。
【００３２】
さらに、第１および第２集合部４６、４８には、それぞれ２本ずつの流路溝（第２ガス流路溝５０ａ、５０ｂと５０ｃ、５４ｄ）が連通している。従って、一方の流路溝が生成水の結露等により閉塞したとしても、他の流路溝を介して燃料ガスの円滑な流れが許容される。これにより、第１セパレータ１４の面１４ａ内において、ガス供給不足による濃度過電圧の増加を防止することができ、燃料電池スタック１０を安定して運転することが可能になるという利点がある。
【００３３】
ここで、第１および第２集合部４６、４８の流路断面積は、分配部である第２ガス流路溝５０ａ、５０ｂおよび５０ｃ、５０ｄのそれぞれの合計流路断面積と同等に設定されている。このため、第１および第２集合部４６、４８から第２ガス流路溝５０ａ〜５０ｄに燃料ガスを円滑に送り出すことが可能になる。
【００３４】
さらにまた、第１ガス流路溝４４ａ〜４４ｆと第２ガス流路溝５０ａ〜５０ｄとは、第１および第２集合部４６、４８を介して流れ方向が反転されている。従って、第１セパレータ１４の面１４ａ内において、発電面に対して隙間なく流路を配置することができるという効果がある。
【００３５】
ところで、第２セパレータ１６では、酸化剤ガス入口６０ａから酸化剤ガス流路６４に供給された空気が、面１６ａに沿って水平方向に蛇行しながら重力方向に移動する。その際、燃料ガス流路４２に供給された燃料ガスと同様に、空気中の酸素ガスが第２ガス拡散層２６からカソード側電極２２に供給される一方、未使用の空気が酸化剤ガス出口６０ｂから排出される。
【００３６】
また、燃料電池スタック１０には冷却媒体が供給されており、この冷却媒体は、第１および第２セパレータ１４、１６の冷却媒体入口４０ａ、６２ａに供給される。図４に示すように、第１セパレータ１４の冷却媒体入口４０ａに供給された冷却媒体は、冷却媒体流路５２ａ〜５２ｄを構成する各主流路溝５４ａに導入され、前記主流路溝５４ａに沿って上方向、水平方向および下方向に向かって流れる。冷却媒体は、それぞれの主流路溝５４ａから分岐された複数の分岐流路溝５６に導入され、前記分岐流路溝５６に沿って面１４ｂ内の略全面にわたり水平方向に流れた後、前記分岐流路溝５６が合流する主流路溝５４ｂを通って冷却媒体出口４０ｂから排出される。
【００３７】
一方、図１に示すように、第２セパレータ１６の冷却媒体入口６２ａに供給された冷却媒体は、冷却媒体流路７０ａ〜７０ｄを通り、面１６ｂの略全面にわたって直線的に移動した後、冷却媒体出口６２ｂから排出される。
【００３８】
図５は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタックを構成する第１セパレータ８０の一方の面の正面説明図であり、図６は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池スタックを構成する第１セパレータ９０の一方の面の正面説明図である。なお、上述した第１の実施形態に係る燃料電池スタック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。
【００３９】
図５に示すように、第２の実施形態に係る第１セパレータ８０の面８０ａには、燃料ガス入口３６ａに連通する第１ガス流路溝４４ａ〜４４ｆと、燃料ガス出口３６ｂに連通する第２ガス流路溝５０ａ〜５０ｄとが設けられるとともに、前記第１ガス流路溝４４ａ〜４４ｆと前記第２ガス流路溝５０ａ〜５０ｄとの合流部位に第１および第２集合部８２、８４が形成されている。
【００４０】
第１集合部８２は、第１ガス流路溝４４ｃが連通する部位から第１ガス流路溝４４ｂおよび４４ａが連通する部位に向かって（下方向に向かって）徐々に流路断面積が増加する第１三角形状部８６を有し、この第１三角形状部８６の下部側には、第２ガス流路溝５０ａ、５０ｂに向かうに従って流路断面積が徐々に減少する第２三角形状部８８が設けられている。なお、第２集合部８４は、上記した第１集合部８２と同様に構成されており、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】
このように構成される第１セパレータ８０では、第１ガス流路溝４４ａ〜４４ｆに供給された燃料ガスが第１および第２集合部８２、８４に導入される際、前記第１および第２集合部８２、８４に合流する燃料ガスが増加するに従って流路断面積が増加する。一方、第１および第２集合部８２、８４から第２ガス流路溝５０ａ〜５０ｄに燃料ガスが分配されるに従ってこの第１および第２集合部８２、８４の流路断面積が減少している。
【００４２】
これにより、燃料ガスは、第１ガス流路溝４４ａ〜４４ｆから第１および第２集合部８２、８４に均等かつ円滑に集合するとともに、この第１および第２集合部８２、８４から第２ガス流路溝５０ａ〜５０ｄに円滑かつ均等に分配される。
このため、燃料ガスの流通が効率的に遂行されるという効果が得られる。
【００４３】
図６に示すように、第３の実施形態に係る第１セパレータ９０の面９０ａには、第１ガス流路溝４４ａ〜４４ｆと第２ガス流路溝５０ａ〜５０ｄの合流部位に対応して第１および第２集合部９２、９４が設けられている。第１および第２集合部９２、９４は略三角形状を有しており、第１ガス流路溝４４ａ〜４４ｆが合流するに従って（下方に向かって）流路断面積が増加している。
【００４４】
このため、第３の実施形態では、燃料ガスが第１ガス流路溝４４ａ〜４４ｆを通って第１および第２集合部９２、９４に円滑かつ均等に合流される等、第２の実施形態と同様の効果が得られる。
【００４５】
ところで、第１乃至第３の実施形態では、燃料ガス流路４２を構成する第１ガス流路溝４４ａ〜４４ｆと第２ガス流路溝５０ａ〜５０ｄとが流れ方向を反転させるように構成されているが、図７および図８に示すように、同一の流れ方向を有する燃料ガス流路１００、１１０を用いてもよい。
【００４６】
この燃料ガス流路１００では、図７に示すように、第１ガス流路溝１０２ａ〜１０２ｃと第２ガス流路溝１０４ａ、１０４ｂとが集合部１０６で合流している。この集合部１０６は、第１ガス流路溝１０２ａ〜１０２ｃを一旦合流させた後に同一の流れ方向に向かって両側が幅狭となり、第２ガス流路溝１０４ａ、１０４ｂに燃料ガスを分配するように構成されている。
【００４７】
図８に示すように、燃料ガス流路１１０では、第１ガス流路溝１１２ａ〜１１２ｃと第２ガス流路溝１１４ａ、１１４ｂとの合流部位に集合部１１６が設けられるとともに、前記第１ガス流路溝１１２ｂ、１１２ｃと前記第２ガス流路溝１１４ａ、１１４ｂとが同一直線上に配置されている。
【００４８】
このように構成される燃料ガス流路１００、１１０では、それぞれ３本（ｍ本）の第１ガス流路溝１０２ａ〜１０２ｃおよび１１２ａ〜１１２ｃがそれぞれ２本（ｎ本）の第２ガス流路溝１０４ａ、１０４ｂおよび１１４ａ、１１４ｂに絞られる際、一旦、単一の集合部１０６、１１６に集合される。このため、燃料ガスに乱流を発生させることができ、電極面への反応ガスの拡散性を有効に向上させることが可能になる。しかも、それぞれ３本の第１ガス流路溝１０２ａ〜１０２ｃ、１１２ａ〜１１２ｃから排出された燃料ガスを集合部１０６、１１６で合流させた後、それぞれ２本の第２ガス流路溝１０４ａ、１０４ｂ、１１４ａ、１１４ｂに分配している。このため、それぞれ２本の第２ガス流路溝１０４ａ、１０４ｂ、１１４ａ、１１４ｂ間の燃料ガスの分配が均一に行われるという利点がある。
【００４９】
以上の説明では、基本的に３本の流路溝を２本の流路溝に絞る場合について説明したが、セパレータ面内で３本から２本への絞りを二段階に行う場合がある。これを、図９を用いて説明すると、入口側にそれぞれ第１ガス流路溝１２０ａ〜１２０ｉが設けられ、前記第１ガス流路溝１２０ａ〜１２０ｃが第２ガス流路溝１２２ａ、１２２ｂに絞られ、前記第１ガス流路溝１２０ｄ〜１２０ｆが第２ガス流路溝１２２ｃ、１２２ｄに絞られ、前記第１ガス流路溝１２０ｇ〜１２０ｉが第２ガス流路溝１２２ｅ、１２２ｆに絞られる。
【００５０】
さらに、第２ガス流路溝１２２ａ〜１２２ｃが第３ガス流路溝１２４ａ、１２４ｂに絞られるとともに、第２ガス流路溝１２２ｄ〜１２２ｆが第３ガス流路溝１２４ｃ、１２４ｄに絞られる。
【００５１】
なお、溝本数は３本から２本への絞り方の他、４本、３本および２本に絞る方法や、６本、４本および３本に絞る方法等、種々の絞り方が採用される。これにより、セパレータ面内での圧損を自由に調整することが可能になり、水の排出性やスタック内の流体分配の設計自由度が向上することになる。
【００５２】
【発明の効果】
本発明に係る燃料電池スタックでは、燃料ガスおよび／または酸化剤ガスを含む流体を流す流体用通路が、ガス入口側にｍ本の第１ガス流路溝を有しかつガス出口側にｎ本（ｍ＞ｎ）の第２ガス流路溝を有し、前記第１および第２ガス流路溝全体の合流部位に集合部が設けられている。このため、ガス入口側からガス出口側に向かって流れる流体が消費される際にガス流速が低下することを有効に阻止するとともに、集合部でガス乱流が惹起されて電極面へのガス拡散性を向上させることができる。しかも、流速の低下が阻止されるため、水の排出性が有効に向上することになり、電極反応面での水の凝結による発電性能の低下を防止することができる。さらに、複数本の第１ガス流路溝から排出された燃料ガスおよび／または酸化剤ガスを集合部で合流させた後、複数本の第２ガス流路溝に分配するようにしたため、前記複数本の第２ガス流路溝間のガスの分配が均一に行われる。
【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スタックの要部分解斜視図である。
【図２】前記燃料電池スタックの概略縦断面説明図である。
【図３】前記燃料電池スタックを構成する第１セパレータの一方の面の正面説明図である。
【図４】前記第１セパレータの他方の面の正面説明図である。
【図５】本発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタックを構成する第１セパレータの一方の面の正面説明図である。
【図６】本発明の第３の実施形態に係る燃料電池スタックを構成する第１セパレータの一方の面の正面説明図である。
【図７】流れ方向が同一である場合の燃料ガス流路の一部説明図である。
【図８】流れ方向が同一である場合の他の燃料ガス流路の一部説明図である。
【図９】流路溝を３本から２本に二段階に絞る場合の説明図である。
【符号の説明】
１０…燃料電池スタック１２…単位燃料電池セル
１４、１６…セパレータ
１４ａ、１４ｂ、１６ａ、１６ｂ、８０ａ、９０ａ…面
１８…電解質膜２０…アノード側電極
２２…カソード側電極２４、２６…拡散層
３６ａ、５８ａ…燃料ガス入口３６ｂ、５８ｂ…燃料ガス出口
３８ａ、６０ａ…酸化剤ガス入口３８ｂ、６０ｂ…酸化剤ガス出口
４０ａ、６２ａ、…冷却媒体入口４０ｂ、６２ｂ…冷却媒体出口
４２、１００、１１０…燃料ガス流路
４４ａ〜４４ｆ、５０ａ〜５０ｄ、６６ａ〜６６ｆ、６８ａ〜６８ｄ、１０２ａ、１０２ｂ、１１２ａ〜１１２ｃ、１１４ａ、１１４ｂ…ガス流路溝
４６、４８、８２、８４、９２、９４、１０６、１１６…集合部
５２ａ〜５２ｄ、７０ａ〜７０ｄ…冷却媒体流路
６４…酸化剤ガス流路
８０、９０…セパレータ[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel cell stack in which a plurality of unit fuel cells each having an electrolyte sandwiched between an anode side electrode and a cathode side electrode are stacked via a separator.
[0002]
[Prior art]
For example, a solid polymer type fuel cell has a unit fuel cell formed by arranging an anode side electrode and a cathode side electrode on both sides of an electrolyte made of a polymer ion exchange membrane (cation exchange membrane). It is comprised by pinching by. This polymer electrolyte fuel cell is usually used as a fuel cell stack by stacking a predetermined number of unit fuel cells and separators.
[0003]
In this type of fuel cell, fuel gas, for example, hydrogen gas, supplied to the anode electrode is hydrogen ionized on the catalyst electrode and moves to the cathode electrode side via an appropriately humidified electrolyte. Electrons generated in the meantime are taken out to an external circuit and used as direct current electric energy. Since an oxidant gas, for example, oxygen gas or air, is supplied to the cathode side electrode, the hydrogen ions, the electrons and the oxygen gas react with each other to generate water at the cathode side electrode.
[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 on the catalyst electrode layer (electrode surface), for example, porous carbon paper is usually separated by a separator. One or a plurality of gas flow paths having a uniform width dimension are provided on the surfaces of the separators that are sandwiched and opposed to each other.
[0005]
In this case, condensed moisture and moisture generated by the reaction may exist in a liquid (water) state in the gas channel. 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.
[0006]
Therefore, for example, as disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 6-267564, a fuel distribution plate having a fuel flow path for supplying fuel to the anode electrode and an oxidant flow path for supplying oxidant to the cathode electrode are provided. An oxidant flow plate having at least one of the depth and width of the oxidant flow channel of the oxidant flow plate from the upstream flow channel region of the oxidant to the downstream flow channel region. Smaller fuel cells are known.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
However, in order to sufficiently supply the fuel gas and the oxidant gas to the electrode surfaces, the gas flow paths are provided so as to meander or circulate in the surface direction of the separator. For this reason, the gas flow path is considerably long in the plane of the separator, and in the above-described prior art, the depth of the upstream flow path area of the oxidant flow path is increased, and the separator itself is considerably thick. It will become something. As a result, a problem has been pointed out that miniaturization of the entire fuel cell cannot be easily performed. In addition, there is a problem that the processing operation for gradually decreasing the depth from the upstream side to the downstream side of the gas flow path becomes extremely complicated.
[0008]
The present invention solves this type of problem, and an object of the present invention is to provide a fuel cell stack that can ensure good gas diffusibility and drainage and can be effectively downsized.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
In a fuel cell stack according to the present onset bright, provided with a fluid passage for flowing a fluid containing at least one of the fuel gas or oxidant gas into the surface of the separator, the fluid passage, the gas outlet from the gas inlet side A plurality of first and second gas flow channel grooves whose number of grooves decreases toward the groove are provided, and a plurality of collecting portions where the plurality of first and second gas flow channel grooves merge together are provided. For this reason, when the fluid is consumed in the surface of the separator, the number of reaction molecules per unit area on the gas outlet side is reduced by reducing the number of grooves from the first gas passage groove to the second gas passage groove. There is no decrease compared to the inlet side, and the reaction can be made uniform in the electrode plane.
[0010]
In addition, a collective portion is provided at a confluence portion of the plurality of first and second gas flow channel grooves. Accordingly, turbulence is induced in the fluid at the gathering portion, and the gas diffusibility of the fuel gas and / or the oxidant gas with respect to the electrode surface can be improved.
[0011]
Further, the fuel gas and / or the oxidant gas discharged from the plurality of first gas flow channel grooves are merged at the collecting portion and then distributed to the plurality of second gas flow channel grooves. For this reason, the gas is uniformly distributed between the plurality of second gas flow channel grooves.
[0012]
Further, in the fuel cell stack, the second gas flow passage is set to more than two, even if one of the second gas flow passage grooves are closed by the produced water condensation, etc., different second gas A fluid can be allowed to flow in the flow channel. As a result, it is possible to prevent an increase in concentration overvoltage due to insufficient supply of gas in the plane of the separator, and it becomes possible to stably obtain the cell voltage.
[0013]
Furthermore, in the fuel cell stack, a first gas flow passage grooves and the second gas flow passage groove is to reverse the flow direction through the collection section. For this reason, the passage for fluid can be arranged in the plane of the separator without a gap with respect to the power generation surface, and the power generation performance can be effectively maintained .
[0014]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 is an exploded perspective view of a main part of a fuel cell stack 10 according to the first embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a schematic longitudinal sectional explanatory view of the fuel cell stack 10.
[0015]
The fuel cell stack 10 includes a unit fuel cell 12 and first and second separators 14 and 16 that sandwich the unit fuel cell 12, and a plurality of sets of these are stacked as necessary. The fuel cell stack 10 has a rectangular parallelepiped shape as a whole. For example, the short side direction (arrow A direction) is oriented in the gravity direction, and the long side direction (arrow B direction) is oriented in the horizontal direction. Is done.
[0016]
The unit 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 is provided with first and second gas diffusion layers 24 and 26 made of, for example, porous carbon paper that is a porous layer.
[0017]
First and second gaskets 28 and 30 are provided on both sides of the unit fuel 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 unit fuel cell 12 and the first and second gaskets 28 and 30 are sandwiched between the first and second separators 14 and 16.
[0018]
As shown in FIGS. 1 and 3, the first separator 14 has a surface 14a facing the anode electrode 20 and a surface 14b on the opposite side set in a rectangular shape. For example, the long side 35a is oriented in the horizontal direction. In addition, the short side 35b is arranged in the direction of gravity. The ratio of the long side 35a and the short side 35b is set to about 1.5 to 3: 1, for example.
[0019]
A fuel gas inlet 36a for allowing a fuel gas such as hydrogen gas to pass therethrough and an oxidant for allowing an oxidant gas such as oxygen gas or air to pass over the upper ends of both end portions on the short side 35b side of the first separator 14 An agent gas inlet 38a is provided. A cooling medium inlet 40a and a cooling medium outlet 40b for allowing a cooling medium such as pure water, ethylene glycol, and oil to pass through are provided at the substantially central side of both end edges on the short side 35b side of the first separator 14, and A fuel gas outlet 36b and an oxidant gas outlet 38b are provided at diagonally opposite positions of the fuel gas inlet 36a and the oxidant gas inlet 38a on the lower side of both edge portions on the short side 35b side of the first separator 14. Yes.
[0020]
A fuel gas passage (fluid passage) 42 communicating with the fuel gas inlet 36a and the fuel gas outlet 36b is formed on the surface 14a of the first separator 14. The fuel gas passage 42 includes a plurality of, for example, six (2m) first gas passage grooves 44a to 44f, and one end side of the first gas passage grooves 44a to 44f is a fuel gas inlet 36a. Communicate with.
[0021]
The first gas passage grooves 44a to 44f extend in the horizontal direction (arrow B direction) from the fuel gas inlet 36a side toward the oxidant gas inlet 38a side, and then bend downward (arrow A direction) Furthermore, it extends in the horizontal direction from the cooling medium inlet 40a side toward the cooling medium outlet 40b side. In the vicinity of the cooling medium outlet 40b, three (m) first gas flow channel grooves 44a to 44c merge with the first collecting portion 46, and the remaining three (m) first gas flow channel grooves 44d to 44d. 44 f joins the second collecting portion 48.
[0022]
Two (n) second gas flow channel grooves 50a, 50b, 50c, 50d communicate with the first and second collecting portions 46, 48, respectively, and the second gas flow channel grooves 50a-50d are horizontal. It extends in the direction and communicates with the fuel gas outlet 36b. The channel cross-sectional areas of the first and second collecting portions 46 and 48 are set to be equal to the total channel cross-sectional area of the second gas flow channel grooves 50a, 50b and 50c, 50d, respectively.
[0023]
As shown in FIG. 4, the surface 14b opposite to the surface 14a of the separator 14 is provided with cooling medium flow paths (fluid passages) 52a to 52d communicating with the cooling medium inlet 40a and the cooling medium outlet 40b. It is done. The cooling medium flow paths 52a to 52d have one main flow path groove 54a, 54b communicating with the cooling medium inlet 40a and the cooling medium outlet 40b, respectively, and a plurality of cooling medium flow paths 54a, 54b, for example, 4 And two branch flow channel grooves 56.
[0024]
As shown in FIG. 1, the second separator 16 is formed in a rectangular shape, and a fuel gas inlet 58 a and an oxidant gas inlet 60 a penetrate the upper side of both end edges on the short side of the second separator 16. In addition to being formed, a cooling medium inlet 62a and a cooling medium outlet 62b are formed penetratingly at substantially the center of both end edges. A fuel gas outlet 58b and an oxidant gas outlet 60b are formed through the lower side of both edge portions on the short side of the second separator 16 so as to be diagonal to the fuel gas inlet 58a and the oxidant gas inlet 60a. Yes.
[0025]
On the surface 16a of the second separator 16 facing the cathode side electrode 22, as shown in FIG. 2, an oxidant gas flow path (fluid passage) 64 that connects the oxidant gas inlet 60a and the oxidant gas outlet 60b. Is formed. In the oxidant gas flow path 64, as with the fuel gas flow path 42, the first gas flow path grooves 66 a to 66 f and the second gas flow path grooves 68 a to 68 d are interposed via first and second collecting portions (not shown). The communication is formed and detailed description thereof is omitted.
[0026]
As shown in FIG. 1, cooling medium flow paths 70 a to 70 d that connect the cooling medium inlet 62 a and the cooling medium outlet 62 b are formed on the surface 16 b opposite to the surface 16 a of the second separator 16. The cooling medium flow paths 70a to 70d are configured in the same manner as the cooling medium flow paths 52a to 52d provided in the first separator 14, and the same components are denoted by the same reference numerals, and the details thereof are described. The detailed explanation is omitted.
[0027]
The operation of the fuel cell stack 10 according to the first embodiment configured as described above will be described below.
[0028]
In the fuel cell stack 10, a fuel gas (for example, a gas containing hydrogen obtained by reforming hydrocarbons) is supplied, and air (or oxygen gas) is supplied as an oxidant gas. The fuel gas is introduced into the fuel gas passage 42 from the fuel gas inlet 36 a of the separator 14. As shown in FIG. 3, the fuel gas supplied to the fuel gas passage 42 is introduced into the first gas passage grooves 44 a to 44 f and extends in the long side direction (arrow B direction) of the surface 14 a of the first separator 14. Move in the direction of gravity while meandering along.
[0029]
At that time, the hydrogen gas in the fuel gas is supplied to the anode electrode 20 of the unit fuel cell 12 through the first gas diffusion layer 24. Unused fuel gas is once introduced into the first and second collecting portions 46 and 48 through the first gas flow channel grooves 44a to 44f, and then distributed to the second gas flow channel grooves 50a to 50d. The remaining fuel gas is discharged from the fuel gas outlet 36b while being supplied to the anode side electrode 20 while moving in the arrow B direction.
[0030]
In this case, in the first embodiment, six (2m) first gas passage grooves 44a to 44f communicate with the fuel gas inlet 36a, and four first gas passage grooves 44a to 44f are provided along the way. After communicating with the (2n) second gas passage grooves 50a to 50d, it communicates with the fuel gas outlet 36b. Therefore, in the surface 14a of the first separator 14, the number of grooves is reduced from the fuel gas inlet 36a toward the fuel gas outlet 36b, preventing a decrease in the number of molecules per unit area due to gas consumption, and the fuel gas outlet. The gas flow rate on the 36b side can be increased. Therefore, the reaction product water generated in the vicinity of the fuel gas outlet 36b can be effectively discharged to the fuel gas outlet 36b by increasing the gas flow velocity, and the drainage can be improved.
[0031]
Moreover, the 1st and 2nd gathering parts 46 and 48 are provided in the junction part of the 1st gas channel groove 44a-44f and the 2nd gas channel groove 50a-50d. As a result, the fuel gas supplied along the first gas flow channel grooves 44a to 44c and 44d to 44f is once introduced into the first and second collecting portions 46 and 48. A gas turbulent flow is induced in the collecting portions 46 and 48, and an effect is obtained that the hydrogen gas in the fuel gas can be effectively diffused and supplied to the anode side electrode 20. In addition, the fuel gas discharged from the three first gas flow channel grooves 44a to 44c is merged by the first collecting portion 46 and then distributed to the two second gas flow channel grooves 50a and 50b. For this reason, there exists an advantage that distribution of the fuel gas between the two 2nd gas flow path grooves 50a and 50b is performed uniformly. The same applies to the other two second gas flow channel grooves 50c and 50d.
[0032]
Furthermore, two flow channel grooves (second gas flow channel grooves 50a, 50b and 50c, 54d) communicate with the first and second collecting portions 46, 48, respectively. Therefore, even if one flow path groove is closed due to condensation of generated water, a smooth flow of fuel gas is permitted through the other flow path groove. Thereby, in the surface 14a of the first separator 14, an increase in concentration overvoltage due to insufficient gas supply can be prevented, and there is an advantage that the fuel cell stack 10 can be stably operated.
[0033]
Here, the flow passage cross-sectional areas of the first and second collecting portions 46 and 48 are set to be equal to the total flow passage cross-sectional area of each of the second gas flow passage grooves 50a, 50b and 50c, 50d, which are distribution portions. ing. For this reason, it becomes possible to send out fuel gas smoothly from the 1st and 2nd gathering parts 46 and 48 to the 2nd gas passage grooves 50a-50d.
[0034]
Furthermore, the flow directions of the first gas flow channel grooves 44a to 44f and the second gas flow channel grooves 50a to 50d are reversed via the first and second collecting portions 46 and 48. Therefore, there is an effect that the flow path can be arranged without a gap with respect to the power generation surface in the surface 14 a of the first separator 14.
[0035]
Incidentally, in the second separator 16, the air supplied from the oxidant gas inlet 60a to the oxidant gas flow path 64 moves in the direction of gravity while meandering in the horizontal direction along the surface 16a. At that time, similarly to the fuel gas supplied to the fuel gas passage 42, oxygen gas in the air is supplied from the second gas diffusion layer 26 to the cathode side electrode 22, while unused air is supplied to the oxidant gas outlet. It is discharged from 60b.
[0036]
A cooling medium is supplied to the fuel cell stack 10, and this cooling medium is supplied to the cooling medium inlets 40 a and 62 a of the first and second separators 14 and 16. As shown in FIG. 4, the cooling medium supplied to the cooling medium inlet 40a of the first separator 14 is introduced into each main flow path groove 54a constituting the cooling medium flow paths 52a to 52d, and along the main flow path groove 54a. Flows upward, horizontally and downward. The cooling medium is introduced into a plurality of branch flow channel grooves 56 branched from the respective main flow channel grooves 54 a, flows in the horizontal direction over substantially the entire surface 14 b along the branch flow channel grooves 56, and then the branches. It is discharged from the cooling medium outlet 40b through the main flow channel 54b where the flow channel 56 joins.
[0037]
On the other hand, as shown in FIG. 1, the cooling medium supplied to the cooling medium inlet 62a of the second separator 16 passes through the cooling medium flow paths 70a to 70d and moves linearly over substantially the entire surface 16b, and then cooled. It is discharged from the medium outlet 62b.
[0038]
FIG. 5 is a front explanatory view of one surface of the first separator 80 constituting the fuel cell stack according to the second embodiment of the present invention, and FIG. 6 is a fuel according to the third embodiment of the present invention. It is front explanatory drawing of one surface of the 1st separator 90 which comprises a battery stack. In addition, the same referential mark is attached | subjected to the component same as the 1st separator 14 which comprises the fuel cell stack 10 which concerns on 1st Embodiment mentioned above, and the detailed description is abbreviate | omitted.
[0039]
As shown in FIG. 5, on the surface 80a of the first separator 80 according to the second embodiment, the first gas passage grooves 44a to 44f communicating with the fuel gas inlet 36a and the first gas passage grooves 44a communicating with the fuel gas outlet 36b are provided. 2 gas flow channel grooves 50a to 50d are provided, and the first and second collecting portions 82 and 84 are joined at the junction of the first gas flow channel grooves 44a to 44f and the second gas flow channel grooves 50a to 50d. Is formed.
[0040]
In the first collecting portion 82, the flow passage cross-sectional area gradually increases from the portion where the first gas flow passage groove 44c communicates to the portion where the first gas flow passage grooves 44b and 44a communicate (downward). The first triangular portion 86 has a first triangular portion 86, and a lower triangular portion 86 of the first triangular portion 86 has a second triangular portion in which the flow passage cross-sectional area gradually decreases toward the second gas flow passage grooves 50a and 50b. 88 is provided. In addition, the 2nd collection part 84 is comprised similarly to the above-mentioned 1st collection part 82, attaches | subjects the same referential mark to the same component, and abbreviate | omits the detailed description.
[0041]
In the first separator 80 configured as described above, when the fuel gas supplied to the first gas flow channel grooves 44a to 44f is introduced into the first and second collecting portions 82 and 84, the first and second The cross-sectional area of the flow path increases as the fuel gas that merges with the collecting portions 82 and 84 increases. On the other hand, as the fuel gas is distributed from the first and second collecting portions 82 and 84 to the second gas flow passage grooves 50a to 50d, the cross-sectional area of the first and second collecting portions 82 and 84 decreases. Yes.
[0042]
Thus, the fuel gas is uniformly and smoothly gathered from the first gas passage grooves 44a to 44f to the first and second gathering portions 82 and 84, and from the first and second gathering portions 82 and 84 to the second. The gas channel grooves 50a to 50d are distributed smoothly and evenly.
For this reason, the effect that the distribution of the fuel gas is efficiently performed is obtained.
[0043]
As shown in FIG. 6, the surface 90 a of the first separator 90 according to the third embodiment corresponds to the merged portion of the first gas flow channel grooves 44 a to 44 f and the second gas flow channel grooves 50 a to 50 d. First and second collecting portions 92 and 94 are provided. The first and second collecting portions 92 and 94 have a substantially triangular shape, and the flow passage cross-sectional area increases (downward) as the first gas flow passage grooves 44a to 44f merge.
[0044]
For this reason, in the third embodiment, the fuel gas is smoothly and evenly joined to the first and second collecting portions 92 and 94 through the first gas passage grooves 44a to 44f. The same effect can be obtained.
[0045]
By the way, in the first to third embodiments, the first gas passage grooves 44a to 44f and the second gas passage grooves 50a to 50d constituting the fuel gas passage 42 are configured to reverse the flow direction. However, as shown in FIGS. 7 and 8, fuel gas flow paths 100 and 110 having the same flow direction may be used.
[0046]
In the fuel gas flow channel 100, as shown in FIG. 7, the first gas flow channel grooves 102 a to 102 c and the second gas flow channel grooves 104 a and 104 b merge at the gathering portion 106. The collecting portion 106 is configured to distribute the fuel gas to the second gas flow channel grooves 104a and 104b after the first gas flow channel grooves 102a to 102c are once joined and then narrowed on both sides in the same flow direction. It is configured.
[0047]
As shown in FIG. 8, in the fuel gas flow path 110, a collecting portion 116 is provided at a joining portion of the first gas flow path grooves 112 a to 112 c and the second gas flow path grooves 114 a and 114 b, and the first gas The channel grooves 112b and 112c and the second gas channel grooves 114a and 114b are arranged on the same straight line.
[0048]
In the fuel gas flow paths 100 and 110 configured as described above, each of the three (m) first gas flow path grooves 102a to 102c and 112a to 112c has two (n) second gas flow paths. When the grooves 104a, 104b and 114a, 114b are squeezed, they are once assembled into a single collecting portion 106, 116. For this reason, turbulent flow can be generated in the fuel gas, and the diffusibility of the reaction gas to the electrode surface can be effectively improved. Moreover, after the fuel gases discharged from the three first gas flow channel grooves 102a to 102c and 112a to 112c are merged at the collecting portions 106 and 116, respectively, the two second gas flow channel grooves 104a and 104b, respectively. , 114a, 114b. For this reason, there is an advantage that the fuel gas is uniformly distributed between the two second gas passage grooves 104a, 104b, 114a, 114b.
[0049]
In the above description, the case where the three flow channel grooves are basically narrowed down to the two flow channel grooves has been described. However, the restriction from three to two may be performed in two stages within the separator surface. This will be described with reference to FIG. 9. First gas flow channel grooves 120a to 120i are provided on the inlet side, and the first gas flow channel grooves 120a to 120c are restricted to the second gas flow channel grooves 122a and 122b. The first gas flow channel grooves 120d to 120f are narrowed to the second gas flow channel grooves 122c and 122d, and the first gas flow channel grooves 120g to 120i are narrowed to the second gas flow channel grooves 122e and 122f.
[0050]
Further, the second gas passage grooves 122a to 122c are restricted to the third gas passage grooves 124a and 124b, and the second gas passage grooves 122d to 122f are restricted to the third gas passage grooves 124c and 124d.
[0051]
Note that the number of grooves is not limited from 3 to 2, but various methods such as 4, 3 and 2 and 6, 4 and 3 are used. The As a result, the pressure loss in the separator surface can be freely adjusted, and the water discharge performance and the degree of freedom in designing the fluid distribution in the stack are improved.
[0052]
【The invention's effect】
In the fuel cell stack according to the present invention, the fluid passage for flowing the fluid containing the fuel gas and / or the oxidant gas has m first gas passage grooves on the gas inlet side and n on the gas outlet side. (M> n) second gas flow path grooves are provided, and a gathering portion is provided at a confluence portion of the entire first and second gas flow path grooves. For this reason, when the fluid flowing from the gas inlet side toward the gas outlet side is consumed, the gas flow velocity is effectively prevented from being lowered, and gas turbulence is induced in the collecting portion to diffuse the gas to the electrode surface. Can be improved. In addition, since the decrease in the flow velocity is prevented, the water discharge performance is effectively improved, and the decrease in power generation performance due to the condensation of water on the electrode reaction surface can be prevented. In addition, since the fuel gas and / or the oxidant gas discharged from the plurality of first gas flow channel grooves are merged at the gathering portion, they are distributed to the plurality of second gas flow channel grooves. The gas is uniformly distributed between the second gas channel grooves of the book.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an exploded perspective view of a main part of a fuel cell stack according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a schematic vertical sectional view of the fuel cell stack.
FIG. 3 is a front explanatory view of one surface of a first separator constituting the fuel cell stack.
FIG. 4 is a front explanatory view of the other surface of the first separator.
FIG. 5 is an explanatory front view of one surface of a first separator constituting a fuel cell stack according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 6 is an explanatory front view of one surface of a first separator constituting a fuel cell stack according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a partial explanatory diagram of a fuel gas flow path when the flow directions are the same.
FIG. 8 is a partial explanatory diagram of another fuel gas flow path when the flow direction is the same.
FIG. 9 is an explanatory diagram in the case of narrowing the flow channel groove from three to two in two stages.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Fuel cell stack 12 ... Unit fuel cell 14 and 16 ... Separator 14a, 14b, 16a, 16b, 80a, 90a ... Surface 18 ... Electrolyte membrane 20 ... Anode side electrode 22 ... Cathode side electrode 24, 26 ... Diffusion layer 36a 58a ... Fuel gas inlet 36b, 58b ... Fuel gas outlet 38a, 60a ... Oxidant gas inlet 38b, 60b ... Oxidant gas outlet 40a, 62a ... Coolant inlet 40b, 62b ... Coolant outlet 42, 100, 110 ... Fuel gas flow paths 44a-44f, 50a-50d, 66a-66f, 68a-68d, 102a, 102b, 112a-112c, 114a, 114b ... gas flow path grooves 46, 48, 82, 84, 92, 94, 106, 116... Aggregation portions 52 a to 52 d, 70 a to 70 d... Cooling medium flow path 64. Separator

Claims

A fuel cell stack in which a plurality of polymer electrolyte unit fuel cells each having a solid polymer electrolyte membrane sandwiched between an anode electrode and a cathode electrode are stacked via a separator,
In the surface of the separator, a fluid passage is provided for flowing a fluid containing at least one of the fuel gas supplied to the anode side electrode or the oxidant gas supplied to the cathode side electrode,
The fluid passage includes m (m is a natural number) first gas passage grooves formed on the gas inlet side,
N (n is a natural number, m> n) second gas passage grooves formed on the gas outlet side;
Provided at a merging site where the m first gas flow channel grooves and the n second gas flow channel grooves are joined, and less than m first gas flow channel grooves and less than n gas flow channels. A plurality of collecting portions integrally communicating with the plurality of second gas flow path grooves;
A fuel cell stack comprising:

The fuel cell stack according to claim 1 Symbol mounting, wherein the first gas flow passage groove and the second gas flow passage, the fuel cell stack, wherein the flow direction through the collection portion is inverted.

3. The fuel cell stack according to claim 1, wherein a flow path cross-sectional area of the collective portion is set to be equal to a total flow cross-sectional area of a plurality of the second gas flow passage grooves that merge with the collective portion. A fuel cell stack characterized by that.

The fuel cell stack according to any one of claims 1 to 3, wherein the collecting portion is disposed adjacent to the first gas flow passage grooves, and follow the first gas flow passage grooves are merged A first triangular portion in which the cross-sectional area of the channel increases ;
A second triangular portion disposed adjacent to the second gas flow channel groove and having a flow channel cross-sectional area that decreases toward the second gas flow channel groove;
A fuel cell stack comprising:

4. The fuel cell stack according to claim 1, wherein the collecting portion is disposed adjacent to the first gas flow path groove, and the flow path is formed as the first gas flow path groove joins. A fuel cell stack comprising a triangular portion having an increased cross-sectional area.