JP5119619B2 - Fuel cell - Google Patents

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Description

本発明は燃料電池に関するものである。   The present invention relates to a fuel cell.

従来、燃料電池の水素流路などに水素を供給し、または水素流路から発電反応に使用されなかった排出水素などを排出するための複数のマニホールドを水素の主な流れ方向に対して両端側に設け、マニホールドと水素流路とを連通する拡散部を備えるものが、特許文献1に開示されている。
特開2003−77499号公報
Conventionally, a plurality of manifolds for supplying hydrogen to a hydrogen flow path of a fuel cell or discharging exhaust hydrogen that has not been used for a power generation reaction from the hydrogen flow path are arranged at both ends with respect to the main flow direction of hydrogen. Japanese Patent Application Laid-Open No. H10-228707 has a diffusion portion that is provided on the manifold and communicates the manifold and the hydrogen flow path.
JP 2003-77499 A

しかし、金属セパレータを用いた場合には、例えば1つの金属セパレータにおいて、水素を水素流路へ供給する水素供給マニホールドと水素流路とを連結する拡散部と、冷却水を冷却水流路へ供給する冷却水供給マニホールドと冷却水流路とを連結する拡散部と、は単位セルの積層方向に重なる構成となっている。そのため、水素供給マニホールドと水素流路とを連結する拡散部と、冷却水供給マニホールドと冷却水流路とを連結する拡散部と、の深さを深くすることができず、流路抵抗が大きくなり、また拡散部の深さの寸法誤差による水素、または冷却水の配流(流量)のバラツキが大きくなり、均一な発電反応、または燃料電池の温度制御のバラツキが大きくなるといった問題点がある。   However, when a metal separator is used, for example, in one metal separator, a hydrogen supply manifold that supplies hydrogen to the hydrogen flow path and a diffusion section that connects the hydrogen flow path, and cooling water are supplied to the cooling water flow path. The diffusion section that connects the cooling water supply manifold and the cooling water flow path is configured to overlap in the stacking direction of the unit cells. For this reason, the depth of the diffusion section connecting the hydrogen supply manifold and the hydrogen flow path and the diffusion section connecting the cooling water supply manifold and the cooling water flow path cannot be increased, and the flow path resistance increases. In addition, there is a problem that variation in the distribution (flow rate) of hydrogen or cooling water due to a dimensional error in the depth of the diffusion portion increases, resulting in a large variation in uniform power generation reaction or temperature control of the fuel cell.

本発明ではこのような問題点を解決するために発明されたもので、水素、空気、冷却水を各流路へ拡散させる拡散部の深さを深くし、拡散部における流路抵抗を小さくし、寸法誤差による流量のバラツキの影響を小さくすることを目的とする。   The present invention has been invented to solve such problems. The depth of the diffusion part for diffusing hydrogen, air, and cooling water into each flow path is increased, and the flow resistance in the diffusion part is reduced. The purpose is to reduce the influence of flow rate variations due to dimensional errors.

本発明では、電解質膜と、電解質膜の両主面の一部に配設する一対の電極部と、電極部と向かい合う面に形成し、第1の反応ガスが流れる第1の反応ガス流路と、電極部と向かい合う面の背面に形成し、冷却水が流れる第1の冷却水流路と、を有する矩形の第1の金属セパレータと、電極部と向かい合う面に形成し、第2の反応ガスが流れる第2の反応ガス流路と、電極部と向かい合う面の背面に形成し、冷却水が流れる第2の冷却水流路と、を有する矩形の第2の金属セパレータと、を備えた単位セルを積層して構成する燃料電池において、第1の金属セパレータの長手方向の端部に位置し、単位セルの積層方向に延設する冷却水マニホールドと、矩形の金属セパレータの長手方向に沿って形成される第1の反応ガス流路と直交する方向の端部側であり、第1の反応ガスの流れに沿って冷却水マニホールドと離れて位置し、第1の反応ガス流路と連通する第1の反応ガスマニホールドと、冷却水マニホールドと第1の反応ガスマニホールドとの間に配置し、単位セルの積層方向に延設して第2の反応ガス流路と連通する第2の反応ガスマニホールドと、を備える。第1の金属セパレータは、第1の反応ガスマニホールドと第1の反応ガス流路とを連結し、第1の反応ガス流路の溝深さと深さが略同一の第1の拡散部と、第1の拡散部に隣接し、冷却水マニホールドと連結して背面に冷却水が流れる凹部を有し、電解質膜側へ突出する突出部と、を備え、第2の金属セパレータは、第2の反応ガスマニホールドと第2の反応ガス流路とを連結し、第2の反応ガス流路の溝深さと深さが略同一の第2の拡散部を備える。そして、単位セルを積層した場合に、隣接する単位セル間では、第1の冷却水流路と第2の冷却水流路とが向かい合い、かつ凹部と、第2の冷却水流路の少なくとも一部と、が向かい合うことを特徴とする。 In the present invention, an electrolyte membrane, a pair of electrode portions disposed on a part of both main surfaces of the electrolyte membrane, and a first reaction gas flow path formed on a surface facing the electrode portion and through which the first reaction gas flows. And a rectangular first metal separator having a first cooling water flow path through which cooling water flows, and a second reaction gas formed on the surface facing the electrode portion. A rectangular second metal separator formed on the back surface of the surface facing the electrode portion and having a second cooling water flow channel through which cooling water flows. In a fuel cell configured by stacking, a cooling water manifold that is positioned at the end of the first metal separator in the longitudinal direction and extends in the stacking direction of the unit cells, and formed along the longitudinal direction of the rectangular metal separator In a direction perpendicular to the first reaction gas flow path A part side along the flow of the first reaction gas located remotely with cooling water manifold, a first reactant gas manifold that communicates with the first reactant gas channel, the coolant manifold and the first reaction A second reaction gas manifold disposed between the gas manifold and extending in the stacking direction of the unit cells and communicating with the second reaction gas flow path. The first metal separator connects the first reaction gas manifold and the first reaction gas flow path, and has a first diffusion portion having substantially the same groove depth and depth as the first reaction gas flow path, A second metal separator that is adjacent to the first diffusion portion, has a recess that is connected to the cooling water manifold and flows on the back surface through which cooling water flows, and protrudes toward the electrolyte membrane. A reaction gas manifold and a second reaction gas channel are connected, and a second diffusion portion having substantially the same groove depth and depth as the second reaction gas channel is provided. When the unit cells are stacked, between the adjacent unit cells, the first cooling water flow channel and the second cooling water flow channel face each other, and the recess, and at least a part of the second cooling water flow channel, Is characterized by facing each other.

本発明によると、第1の反応ガスマニホールドと第1の反応ガス流路とを連結する第1の拡散部と、第2の反応ガスマニホールドと第2の反応ガス流路とを連結する第2の拡散部と、の深さを深くした場合でも、隣接する単位セル間において、第2の拡散部の背面を第1の冷却水流路によって冷却水を流すことができ、第1の拡散部及び第2の拡散部の流路抵抗を小さくし、寸法誤差による第1の反応ガス、第2の反応ガス及び冷却水の流量のバラツキの影響を小さくすることができる。   According to the present invention, the first diffusion section that connects the first reaction gas manifold and the first reaction gas flow path, and the second connection that connects the second reaction gas manifold and the second reaction gas flow path. Even when the depth of the diffusion portion is increased, the cooling water can flow through the back surface of the second diffusion portion by the first cooling water flow path between the adjacent unit cells, and the first diffusion portion and The flow resistance of the second diffusion portion can be reduced, and the influence of variations in the flow rates of the first reaction gas, the second reaction gas, and the cooling water due to dimensional errors can be reduced.

本発明の第1実施形態の燃料電池について図1の分解斜視図を用いて説明する。この実施形態の燃料電池は、図1に示す単位セル1を複数積層して構成するものである。   A fuel cell according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to an exploded perspective view of FIG. The fuel cell of this embodiment is configured by stacking a plurality of unit cells 1 shown in FIG.

単位セル1は、電解質膜2と、電解質膜2の両主面の一部に設けられた一対の電極部3と、電解質膜2と電極部3とを挟持するアノードセパレータ(第2の金属セパレータ)4、カソードセパレータ5(第1の金属セパレータ)と、から構成する。   The unit cell 1 includes an electrolyte membrane 2, a pair of electrode portions 3 provided on a part of both main surfaces of the electrolyte membrane 2, and an anode separator (second metal separator) sandwiching the electrolyte membrane 2 and the electrode portion 3 ) 4 and a cathode separator 5 (first metal separator).

電極部3は、例えば多孔性のカーボンペーパであり、電解質膜2と当接する面に例えば白金などの触媒を担持する。   The electrode unit 3 is, for example, porous carbon paper, and supports a catalyst such as platinum on the surface that contacts the electrolyte membrane 2.

アノードセパレータ4について図2、図3を用いて詳しく説明する。図2は、アノードセパレータ4を電解質膜2から見た正面図であり、図3は背面図である。   The anode separator 4 will be described in detail with reference to FIGS. 2 is a front view of the anode separator 4 as viewed from the electrolyte membrane 2, and FIG. 3 is a rear view.

アノードセパレータ4は、金属セパレータであり、プレス加工などによって成型される。   The anode separator 4 is a metal separator and is molded by press working or the like.

アノードセパレータ4は、電解質膜2と対向する面に、電解質膜2側へ突出する突部10と、隣り合う突部10によって形成され、水素(第2の反応ガス)が流れる水素流路(第2の反応ガス流路)11と、水素流路11に水素を導入する水素導入マニホールド(第2の反応ガスマニホールド)20と、後述する冷却水流路(第2の冷却水流路)14に冷却水を導入する冷却水導入マニホールド(冷却水マニホールド)21と、後述するカソードセパレータ5の空気流路(第1の反応ガス流路)31に空気(第1の反応ガス)を導入する空気導入マニホールド(第1の反応ガスマニホールド)22と、を備える。また、水素導入マニホールド20と水素流路11とを連通する拡散部(第2の拡散部)12を備える。アノードセパレータ4は、突部10の一部が電極部3と当接する。   The anode separator 4 is formed on the surface facing the electrolyte membrane 2 by a protrusion 10 protruding toward the electrolyte membrane 2 and an adjacent protrusion 10, and a hydrogen flow path (first reaction gas) through which hydrogen (second reaction gas) flows. 2 reaction gas flow path) 11, a hydrogen introduction manifold (second reaction gas manifold) 20 for introducing hydrogen into the hydrogen flow path 11, and a cooling water flow path (second cooling water flow path) 14 to be described later. A cooling water introduction manifold (cooling water manifold) 21 that introduces air and an air introduction manifold (first reaction gas) that introduces air (first reaction gas) into an air passage (first reaction gas passage) 31 of the cathode separator 5 to be described later. First reaction gas manifold) 22. Further, a diffusion part (second diffusion part) 12 that communicates the hydrogen introduction manifold 20 and the hydrogen flow path 11 is provided. In the anode separator 4, a part of the protrusion 10 comes into contact with the electrode part 3.

拡散部12は、電解質膜2を挟んで後述するカソードセパレータ5のシール材36と向かい合う箇所に、リブ15を備える。リブ15によって、後述するシール材36の反力による電解質膜2の変形を防止し、空気のリークを防止することができる。   The diffusion portion 12 includes a rib 15 at a location facing a sealing material 36 of the cathode separator 5 described later with the electrolyte membrane 2 interposed therebetween. The rib 15 can prevent deformation of the electrolyte membrane 2 due to a reaction force of the sealing material 36 described later, and can prevent air leakage.

また、アノードセパレータ4は、水素流路11を形成する面の背面に、隣接する単位セル1のカソードセパレータ5と当接する突部13と、隣り合う突部13によって形成され、冷却水が流れる冷却水流路14と、を備える。   Further, the anode separator 4 is formed on the back surface of the surface on which the hydrogen flow path 11 is formed by the protrusion 13 that contacts the cathode separator 5 of the adjacent unit cell 1 and the adjacent protrusion 13, and the cooling water flows through the anode separator 4. A water flow path 14.

図2中のA−A断面図の一部概略を図4に示す。アノードセパレータ4は、水素流路11を形成する突部10の背面を冷却水流路14とし、冷却水流路14を形成する突部13の背面を水素流路11とする。つまり、水素流路11の溝底11aの背面に、隣接する単位セル1のカソードセパレータ5と当接する突部13が形成され、冷却水流路14の溝底14aの背面に、電極部3などと当接する突部10が形成される。   FIG. 4 shows a partial outline of the AA sectional view in FIG. In the anode separator 4, the back surface of the protrusion 10 that forms the hydrogen flow path 11 is the cooling water flow path 14, and the back surface of the protrusion 13 that forms the cooling water flow path 14 is the hydrogen flow path 11. That is, a protrusion 13 that contacts the cathode separator 5 of the adjacent unit cell 1 is formed on the back surface of the groove bottom 11 a of the hydrogen flow channel 11, and the electrode portion 3 or the like is formed on the back surface of the groove bottom 14 a of the cooling water flow channel 14. A projecting portion 10 that abuts is formed.

冷却水導入マニホールド21は、水素の主流な流れ方向となるアノードセパレータ4の長手方向(図2、3中x方向)の端部側であり、かつアノードセパレータ4の長手方向と直交する方向(図2、3中y方向)の端部側となる箇所に設けられる。また、アノードセパレータ4の長手方向に沿って冷却水導入マニホールドから離れた位置であり、かつ長手方向と直交する方向の端部側に空気導入マニホールド22が設けられ、冷却水導入マニホールド21と空気導入マニホールド22との間に、水素導入マニホールド20が設けられる。   The cooling water introduction manifold 21 is on the end side in the longitudinal direction of the anode separator 4 (the x direction in FIGS. 2 and 3), which is the main flow direction of hydrogen, and in the direction orthogonal to the longitudinal direction of the anode separator 4 (see FIG. 2 and 3 in the y direction). Further, an air introduction manifold 22 is provided at a position away from the cooling water introduction manifold along the longitudinal direction of the anode separator 4 and in the direction orthogonal to the longitudinal direction, and the cooling water introduction manifold 21 and the air introduction are provided. A hydrogen introduction manifold 20 is provided between the manifold 22.

アノードセパレータ4の水素流路11を形成した面には、アノードセパレータ4の外周部と、冷却水導入マニホールド21および空気導入マニホールド22との周辺部と、に水素などの外部へのリーク、水素と冷却水などが混合することを防止するシール材16を設ける。   On the surface of the anode separator 4 where the hydrogen flow path 11 is formed, the outer periphery of the anode separator 4 and the periphery of the cooling water introduction manifold 21 and the air introduction manifold 22 are leaked to the outside, such as hydrogen. A sealing material 16 is provided to prevent mixing of cooling water and the like.

また、冷却水流路14を形成した面には、隣接する単位セル1のカソードセパレータ5と溶接する溶接部17を設ける。なお、アノードセパレータ4と隣接するカソードセパレータ5とを接着しても良い。   Further, a welded portion 17 that is welded to the cathode separator 5 of the adjacent unit cell 1 is provided on the surface on which the cooling water channel 14 is formed. The anode separator 4 and the adjacent cathode separator 5 may be bonded.

次にカソードセパレータ5について図5、図6を用いて詳しく説明する。図5は、カソードセパレータ5を電解質膜2から見た正面図であり、図6は背面図である。   Next, the cathode separator 5 will be described in detail with reference to FIGS. 5 is a front view of the cathode separator 5 as seen from the electrolyte membrane 2, and FIG. 6 is a rear view.

カソードセパレータ5は、金属セパレータであり、プレス加工などによって成型される。   The cathode separator 5 is a metal separator and is formed by press working or the like.

カソードセパレータ5は、電解質膜2と対向する面に、電解質膜2側へ突出する突部30と、隣り合う突部30によって形成され、空気が流れる空気流路31と、空気流路31に空気を導入する空気導入マニホールド22と、空気導入マニホールド22と空気流路31とを連結する拡散部(第1の拡散部)32と、水素導入マニホールド20と、冷却水導入マニホールド21と、拡散部32に隣接して設けた突出部35と、を備える。カソードセパレータ5は、突部30が電極部3に当接する。   The cathode separator 5 is formed on a surface facing the electrolyte membrane 2 by a protrusion 30 protruding toward the electrolyte membrane 2 and an adjacent protrusion 30, and an air flow path 31 through which air flows, and an air flow in the air flow path 31. Air introduction manifold 22, diffusion portion (first diffusion portion) 32 connecting air introduction manifold 22 and air flow path 31, hydrogen introduction manifold 20, cooling water introduction manifold 21, and diffusion portion 32. And a protrusion 35 provided adjacent to. In the cathode separator 5, the protrusion 30 is in contact with the electrode portion 3.

また、カソードセパレータ5は、空気流路31を形成する面の背面に、隣接する単位セル1のアノードセパレータ4と当接する突部33と、隣り合う突部33によって形成し、冷却水が流れる冷却水流路34と、を備える。   Further, the cathode separator 5 is formed by a protrusion 33 that contacts the anode separator 4 of the adjacent unit cell 1 and an adjacent protrusion 33 on the rear surface of the surface that forms the air flow path 31, and cooling water flows. A water flow path 34.

カソードセパレータ5は、アノードセパレータ4と同様に、空気流路31を形成する突部30の背面を冷却水流路34とし、冷却水流路34を形成する突部33の背面を空気流路31とする。   In the cathode separator 5, similarly to the anode separator 4, the back surface of the protrusion 30 that forms the air flow path 31 is the cooling water flow path 34, and the back surface of the protrusion 33 that forms the cooling water flow path 34 is the air flow path 31. .

拡散部32は、単位セル1の積層方向への深さが、空気流路31と略同一の深さである。これにより、拡散部32流路抵抗を小さくし、拡散部32の圧損を小さくすることができる。また、拡散部32はリブ37を備える。リブ37は電解質膜2を挟んで、アノードセパレータ4のシール材16と向かい合う箇所に設けられる。これにより、単位セル1を積層した場合に、アノードセパレータ4のシール材16の反力による電解質膜2の変形を防止し、水素などのリークを防止することができる。   The diffusion unit 32 has a depth in the stacking direction of the unit cells 1 that is substantially the same as that of the air flow path 31. Thereby, the flow resistance of the diffusion part 32 can be reduced, and the pressure loss of the diffusion part 32 can be reduced. Further, the diffusion part 32 includes a rib 37. The rib 37 is provided at a location facing the sealing material 16 of the anode separator 4 with the electrolyte membrane 2 interposed therebetween. Thereby, when the unit cell 1 is laminated | stacked, the deformation | transformation of the electrolyte membrane 2 by the reaction force of the sealing material 16 of the anode separator 4 can be prevented, and leaks, such as hydrogen, can be prevented.

突出部35は、冷却水導入マニホールド21と、冷却水導入マニホールド21からカソードセパレータ5の長手方向に直交する方向へ延設し、さらにカソードセパレータ5の長手方向へ延設する。突出部35は電解質膜2側へ突出し、突出部35の背面には、冷却水導入マニホールド21から冷却水が流れる凹部35aを備える。突出部35の高さは、空気流路31を形成する突部30の高さと略同一の高さとすることが望ましい。   The protruding portion 35 extends from the cooling water introduction manifold 21 and the cooling water introduction manifold 21 in a direction perpendicular to the longitudinal direction of the cathode separator 5, and further extends in the longitudinal direction of the cathode separator 5. The protrusion 35 protrudes toward the electrolyte membrane 2, and a recess 35 a through which cooling water flows from the cooling water introduction manifold 21 is provided on the back surface of the protrusion 35. It is desirable that the height of the protrusion 35 is substantially the same as the height of the protrusion 30 that forms the air flow path 31.

突出部35の凹部35aは、隣接する単位セル1のアノードセパレータ4の冷却水流路14の一部と向かい合い、凹部35aに流れた冷却水が冷却水流路14へ流れる。また、凹部35aは、アノードセパレータ4の長手方向と直交する方向において冷却水導入マニホールド21から一番遠い冷却水流路14と向かい合うように形成される。   The recess 35 a of the protrusion 35 faces a part of the cooling water channel 14 of the anode separator 4 of the adjacent unit cell 1, and the cooling water that has flowed into the recess 35 a flows into the cooling water channel 14. Further, the recess 35 a is formed so as to face the cooling water flow path 14 farthest from the cooling water introduction manifold 21 in a direction orthogonal to the longitudinal direction of the anode separator 4.

隣接する単位セル1において、アノードセパレータ4に設けた冷却水流路14の一部とカソードセパレータ5に設けた冷却水流路34とは向かい合うように形成され、アノードセパレータ4に設けた冷却水流路14とカソードセパレータ5に設けた冷却水流路34とによって一つの冷却水流路を形成する。   In the adjacent unit cell 1, a part of the cooling water channel 14 provided in the anode separator 4 and the cooling water channel 34 provided in the cathode separator 5 are formed so as to face each other, and the cooling water channel 14 provided in the anode separator 4 One cooling water flow path is formed by the cooling water flow path 34 provided in the cathode separator 5.

カソードセパレータ5において空気流路31を形成した面には、カソードセパレータ5の外周部と、水素導入マニホールド20および冷却水導入マニホールド21の周辺部と、に空気などの外部へのリーク、および空気と冷却水などが混ざることを防止するシール材36を設ける。   On the surface of the cathode separator 5 where the air flow path 31 is formed, the outer periphery of the cathode separator 5, the periphery of the hydrogen introduction manifold 20 and the cooling water introduction manifold 21, leaks to the outside such as air, and air A sealing material 36 is provided to prevent mixing of cooling water and the like.

なお、単位セル1から発電に使用されなかった水素、空気などを排出する水素排出マニホールド、空気排出マニホールドなどについての説明は省略するが、上記した水素導入マニホールド20などの形状を、アノードセパレータ4の中心点に対して点対称とした位置などに配置する。   The description of the hydrogen discharge manifold and the air discharge manifold for discharging hydrogen, air, etc. that have not been used for power generation from the unit cell 1 will be omitted, but the shape of the hydrogen introduction manifold 20 and the like described above is the same as that of the anode separator 4. It is placed at a point symmetric with respect to the center point.

ここで、単位セル1を複数積層した場合の冷却水の流れについて、図8、図9の概略断面図を用いて説明する。図8、図9の概略断面図は、単位セル1の一部を示す断面図であり、図7に示す箇所の断面図である。図7は、隣接する単位セル1のアノードセパレータ4とカソードセパレータ5を示す図である。図8、図9においては説明のため各部材間に隙間を設ける。また、図8、図9では水素が存在する箇所を実線のハッチング、空気が存在する箇所を破線のハッチング、冷却水が存在する箇所を一点鎖線のハッチングで示す。   Here, the flow of cooling water when a plurality of unit cells 1 are stacked will be described with reference to the schematic cross-sectional views of FIGS. The schematic cross-sectional views of FIGS. 8 and 9 are cross-sectional views showing a part of the unit cell 1, and are cross-sectional views of the portions shown in FIG. FIG. 7 is a diagram showing the anode separator 4 and the cathode separator 5 of the adjacent unit cells 1. In FIG. 8 and FIG. 9, a gap is provided between each member for explanation. In FIGS. 8 and 9, a portion where hydrogen is present is indicated by a solid hatching, a portion where air is present is indicated by a broken line, and a portion where cooling water is present is indicated by a one-dot chain line.

水素導入マニホールド20から導入された水素は、拡散部12を介して水素流路11へ流れる。空気導入マニホールド22から導入された空気は、拡散部32を介して空気流路31へ流れる。   Hydrogen introduced from the hydrogen introduction manifold 20 flows to the hydrogen flow path 11 through the diffusion portion 12. The air introduced from the air introduction manifold 22 flows to the air flow path 31 via the diffusion part 32.

冷却水は、冷却水導入マニホールド21からカソードセパレータ5の凹部35aへまず流れ、(図8(a)、図9(a)、(b))水素導入マニホールド20と水素流路11とを連結する拡散部12の背面と向かい合う凹部35aを通って冷却水はさらに流れる(図8(b)、図9(a)、(b))。そして、凹部35aとアノードセパレータ4の冷却水流路14が向かい合うと、凹部35aと向かい合うアノードセパレータ4の冷却水流路14へ流れる(図8(c)、図9(b))。拡散部32の深さは、空気流路31の溝の深さと略同じ深さである。そのため凹部35aからカソードセパレータ5の冷却水流路34へ直接冷却水は流れない(図8(d)、図9(a))。しかし、凹部35aと向かい合うアノードセパレータ4の冷却水流路14を通って拡散部32の背面を冷却水が流れる(図8(d)、図9(b))。そして、拡散部32の背面よりも下流側において冷却水流路14と冷却水流路34とが向かい合うと、冷却水流路14を流れる冷却水の一部が冷却水流路34へ流れる(図8(e)、図9(b))。   The cooling water first flows from the cooling water introduction manifold 21 to the recess 35a of the cathode separator 5 (FIG. 8 (a), FIG. 9 (a), (b)) and connects the hydrogen introduction manifold 20 and the hydrogen flow path 11. The cooling water further flows through the concave portion 35a facing the back surface of the diffusion portion 12 (FIGS. 8B, 9A, and 9B). And if the recessed part 35a and the cooling water flow path 14 of the anode separator 4 oppose, it will flow to the cooling water flow path 14 of the anode separator 4 which opposes the recessed part 35a (FIG.8 (c), FIG.9 (b)). The depth of the diffusion part 32 is substantially the same as the depth of the groove of the air flow path 31. Therefore, the cooling water does not flow directly from the recess 35a to the cooling water flow path 34 of the cathode separator 5 (FIGS. 8D and 9A). However, the cooling water flows through the back surface of the diffusion part 32 through the cooling water flow path 14 of the anode separator 4 facing the recess 35a (FIGS. 8D and 9B). When the cooling water channel 14 and the cooling water channel 34 face each other downstream of the back surface of the diffusion portion 32, a part of the cooling water flowing through the cooling water channel 14 flows to the cooling water channel 34 (FIG. 8E). FIG. 9B).

本発明の第1実施形態の効果について説明する。   The effect of 1st Embodiment of this invention is demonstrated.

この実施形態では、冷却水導入マニホールド21をアノードセパレータ4の端部側に設け、空気流路31に空気を導入する空気導入マニホールド22を水素の主な流れ方向となる長手方向に沿って、かつ長手方向と直交する方向の端部に設け、冷却水導入マニホールド21と空気導入マニホールド22との間に水素導入マニホールド21を設ける。空気導入マニホールド22と空気流路31とを深さが空気流路31と略同一の深さの拡散部32によって連結する。カソードセパレータ5は、空気導入マニホールド22と空気流路31とを連結し、深さが空気流路31と略同一の拡散部32と、拡散部32に隣接し、冷却水導入マニホールド21と連結して冷却水が流れる凹部35aを背面に有し、電解質膜2側へ突出する突出部35と、を備える。アノードセパレータ4は、水素導入マニホールド21と水素流路11とを連結し、深さが水素流路11と略同一の深さである拡散部12を備える。隣接する単位セル1間では、凹部35aと冷却水流路14とが向かい合い、さらに下流側では冷却水流路14と冷却水流路34とが向かい合う。これによって、拡散部12、32の深さをそれぞれ水素流路11、空気流路31と略同一とした場合でも、冷却水導入マニホールド21から凹部35a、冷却水流路14、34を介して冷却水を流すことができる。そのため、拡散部12、32における流路抵抗を小さくし、拡散部32の寸法誤差による冷却水、空気の流量のバラツキの影響を小さくすることができる。単位セル1の発電を均一にすることができ、また温度のバラツキを小さくすることができる。   In this embodiment, the cooling water introduction manifold 21 is provided on the end side of the anode separator 4, and the air introduction manifold 22 that introduces air into the air flow path 31 is arranged along the longitudinal direction that is the main flow direction of hydrogen, and A hydrogen introduction manifold 21 is provided between the cooling water introduction manifold 21 and the air introduction manifold 22 at the end in the direction orthogonal to the longitudinal direction. The air introduction manifold 22 and the air flow path 31 are connected by a diffusion portion 32 having a depth substantially the same as that of the air flow path 31. The cathode separator 5 connects the air introduction manifold 22 and the air flow path 31, has a diffusion part 32 having a depth substantially the same as the air flow path 31, is adjacent to the diffusion part 32, and is connected to the cooling water introduction manifold 21. A recess 35a through which cooling water flows, and a protrusion 35 protruding toward the electrolyte membrane 2 side. The anode separator 4 includes a diffusion portion 12 that connects the hydrogen introduction manifold 21 and the hydrogen flow path 11 and has a depth substantially the same as that of the hydrogen flow path 11. Between the adjacent unit cells 1, the recess 35 a faces the cooling water channel 14, and further, the cooling water channel 14 and the cooling water channel 34 face each other downstream. Thus, even when the depths of the diffusion portions 12 and 32 are substantially the same as the hydrogen flow path 11 and the air flow path 31, respectively, the cooling water is supplied from the cooling water introduction manifold 21 via the recess 35a and the cooling water flow paths 14 and 34. Can flow. Therefore, it is possible to reduce the flow path resistance in the diffusing sections 12 and 32 and reduce the influence of variations in the flow rates of cooling water and air due to dimensional errors in the diffusing section 32. The power generation of the unit cell 1 can be made uniform, and the temperature variation can be reduced.

また、アノードセパレータ4、カソードセパレータ5の単位セル積層方向の高さを大きくせずに、水素流量などのバラツキを小さくすることができるので、単位セル積層方向の大きさを小さくすることができる。   In addition, since variations in the hydrogen flow rate and the like can be reduced without increasing the height of the anode separator 4 and the cathode separator 5 in the unit cell stacking direction, the size in the unit cell stacking direction can be decreased.

次に本発明の第2実施形態について図10を用いて説明する。この実施形態については第1実施形態と異なる部分を中心に説明する。なお、第1実施形態と同じ構成のものについては、同じ符号を付し、ここでの説明は省略する。図10はカソードセパレータ40を電解質膜2から見た正面図である。なお、図10では電極部41を配置する領域を破線で示す。   Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. This embodiment will be described with a focus on differences from the first embodiment. In addition, about the thing of the same structure as 1st Embodiment, the same code | symbol is attached | subjected and description here is abbreviate | omitted. FIG. 10 is a front view of the cathode separator 40 as viewed from the electrolyte membrane 2. In FIG. 10, a region where the electrode part 41 is arranged is indicated by a broken line.

カソードセパレータ40は、空気導入マニホールド22と空気流路31とを連結する拡散部42に先端の高さが空気流路31を形成する突部30と略同じ高さとなる、突部43を備える。   The cathode separator 40 includes a protrusion 43 having a tip that is approximately the same height as the protrusion 30 that forms the air flow path 31 in the diffusion portion 42 that connects the air introduction manifold 22 and the air flow path 31.

突部43は、円筒形状であり、拡散部42に複数設けられる。また、突部43によって、拡散部42における空気の流れを整流することができる。   The protrusion 43 has a cylindrical shape, and a plurality of protrusions 43 are provided in the diffusion part 42. Further, the air flow in the diffusion portion 42 can be rectified by the protrusion 43.

これにより、電極部41を拡散部42の突部43を設けた領域にも配置することができる。そのため、単位セルあたりの発電量を大きくすることができる。   Thereby, the electrode part 41 can also be arrange | positioned also to the area | region in which the protrusion part 43 of the spreading | diffusion part 42 was provided. Therefore, the power generation amount per unit cell can be increased.

本発明の第2実施形態の効果について説明する。   The effect of 2nd Embodiment of this invention is demonstrated.

この実施形態では、カソードセパレータ40の拡散部42に空気流路31を形成する突部30と高さが略同一の突部43を設ける。これにより、電極部41を拡散部42まで設けることができ、単位セルあたりの発電量を多くすることができ、燃料電池の発電効率を向上することができる。   In this embodiment, a protrusion 43 having substantially the same height as the protrusion 30 forming the air flow path 31 is provided in the diffusion part 42 of the cathode separator 40. Thereby, the electrode part 41 can be provided to the spreading | diffusion part 42, the electric power generation amount per unit cell can be increased, and the electric power generation efficiency of a fuel cell can be improved.

次に本発明の第3実施形態について説明する。この実施形態については第1実施形態と異なる部分を中心に説明する。なお、第1実施形態と同じ構成のものについては、同じ符号を付し、ここでの説明は省略する。   Next, a third embodiment of the present invention will be described. This embodiment will be described with a focus on differences from the first embodiment. In addition, about the thing of the same structure as 1st Embodiment, the same code | symbol is attached | subjected and description here is abbreviate | omitted.

アノードセパレータ50について図11、図12を用いて詳しく説明する。図11はアノードセパレータ50を電解質膜2から見た正面図であり、図12は背面図である。   The anode separator 50 will be described in detail with reference to FIGS. 11 is a front view of the anode separator 50 as viewed from the electrolyte membrane 2, and FIG. 12 is a rear view.

アノードセパレータ50は、水素の主な流れ方向となるアノードセパレータ50の長手方向の端部に冷却水導入マニホールド51を備える。   The anode separator 50 includes a cooling water introduction manifold 51 at the end of the anode separator 50 in the longitudinal direction, which is the main flow direction of hydrogen.

冷却水導入マニホールド51は、長手方向と直交する方向へ延設して設けられ、アノーセパレータ50の長手方向と直交する方向における冷却水マニホールド51の幅は、アノードセパレータ50における水素流路11を形成する箇所の幅と、略同一の幅とする。   The cooling water introduction manifold 51 is provided so as to extend in a direction orthogonal to the longitudinal direction, and the width of the cooling water manifold 51 in the direction orthogonal to the longitudinal direction of the anode separator 50 forms the hydrogen flow path 11 in the anode separator 50. The width of the part to be performed is approximately the same width.

カソードセパレータ60について図13、図14を用いて説明する。図13はカソードセパレータ60を電解質膜2から見た正面図であり、図14は背面図である。   The cathode separator 60 will be described with reference to FIGS. 13 is a front view of the cathode separator 60 as viewed from the electrolyte membrane 2, and FIG. 14 is a rear view.

カソードセパレータ60は、冷却水導入マニホールド51からカソードセパレータ60の長手方向へ延設する突出部61を備える。   The cathode separator 60 includes a protrusion 61 that extends from the cooling water introduction manifold 51 in the longitudinal direction of the cathode separator 60.

突出部61は、電解質膜2側へ突出し、突出部61の背面には、冷却水導入マニホールド51から冷却水が流れる凹部61aを備える。突出部61の高さは、空気流路31を形成する突部30の高さと略同一の高さとすることが望ましい。   The protrusion 61 protrudes toward the electrolyte membrane 2, and a recess 61 a through which cooling water flows from the cooling water introduction manifold 51 is provided on the back surface of the protrusion 61. It is desirable that the height of the protrusion 61 is substantially the same as the height of the protrusion 30 that forms the air flow path 31.

突出部61の凹部61aは、隣接する単位セル1のアノードセパレータ50の冷却水流路14の一部と向かい合い、凹部35aに流れた冷却水が冷却水流路14へ流れる。また、凹部35aは、アノードセパレータ4の長手方向と直交する方向において冷却水導入マニホールド21から一番遠い冷却水流路14と向かい合うように形成される。   The recess 61 a of the protrusion 61 faces a part of the cooling water flow path 14 of the anode separator 50 of the adjacent unit cell 1, and the cooling water that has flowed into the recess 35 a flows to the cooling water flow path 14. Further, the recess 35 a is formed so as to face the cooling water flow path 14 farthest from the cooling water introduction manifold 21 in a direction orthogonal to the longitudinal direction of the anode separator 4.

ここで、単位セルを複数積層した場合の冷却水の流れについて、図16、図17の概略断面図を用いて説明する。図16、図17の概略断面図は、単位セルの一部を示す断面図であり、図15に示す箇所の断面図である。図15は、隣接する単位セルのアノードセパレータ50とカソードセパレータ60を示す図である。図16、図17においては説明のため各部材間に隙間を設ける。また、図16、図17では水素が存在する箇所を実線のハッチング、空気が存在する箇所を破線のハッチング、冷却水が存在する箇所を一点鎖線のハッチングで示す。   Here, the flow of cooling water when a plurality of unit cells are stacked will be described with reference to the schematic cross-sectional views of FIGS. 16 and 17. The schematic cross-sectional views of FIGS. 16 and 17 are cross-sectional views showing a part of the unit cell, and are cross-sectional views of the portions shown in FIG. FIG. 15 is a diagram showing the anode separator 50 and the cathode separator 60 of adjacent unit cells. In FIG. 16 and FIG. 17, a gap is provided between the members for the sake of explanation. In FIGS. 16 and 17, a portion where hydrogen is present is indicated by a solid line hatching, a portion where air is present is indicated by a broken line hatching, and a location where cooling water is present is indicated by a one-dot chain line hatching.

水素導入マニホールド20から導入された水素は、拡散部12を介して水素流路11へ流れる。空気導入マニホールド22から導入された空気は、拡散部32を介して空気流路31へ流れる。   Hydrogen introduced from the hydrogen introduction manifold 20 flows to the hydrogen flow path 11 through the diffusion portion 12. The air introduced from the air introduction manifold 22 flows to the air flow path 31 via the diffusion part 32.

冷却水は、冷却水導入マニホールド51からカソードセパレータ5の凹部61aへまず流れ、水素導入マニホールド20と水素流路11とを連結する拡散部12の背面と向かい合う凹部61aを通って冷却水はさらに流れる(図16(a)、図17(a)、(b))。そして、凹部61aとアノードセパレータ4の冷却水流路14が向かい合うと、凹部61aと向かい合うアノードセパレータ4の冷却水流路14へ流れる(図16(b)、図17(b))。拡散部32の深さは、空気流路31の溝の深さと略同じ深さである。そのため凹部61aからカソードセパレータ5の冷却水流路34へ直接冷却水は流れない(図16(c)、図17(a))。しかし、凹部61aと向かい合うアノードセパレータ4の冷却水流路14を通って拡散部32の背面を冷却水が流れる(図16(c)、図17(b))。そして、拡散部32の背面よりも下流側において冷却水流路14と冷却水流路34とが向かい合うと、冷却水流路14を流れる冷却水の一部が冷却水流路34へ流れる(図16(d)、図17(b))。   The cooling water first flows from the cooling water introduction manifold 51 to the recess 61 a of the cathode separator 5, and the cooling water further flows through the recess 61 a facing the back surface of the diffusion portion 12 connecting the hydrogen introduction manifold 20 and the hydrogen flow path 11. (FIG. 16 (a), FIG. 17 (a), (b)). And if the recessed part 61a and the cooling water flow path 14 of the anode separator 4 face each other, it will flow into the cooling water flow path 14 of the anode separator 4 facing the recessed part 61a (FIGS. 16B and 17B). The depth of the diffusion part 32 is substantially the same as the depth of the groove of the air flow path 31. Therefore, the cooling water does not flow directly from the recess 61a to the cooling water flow path 34 of the cathode separator 5 (FIGS. 16C and 17A). However, the cooling water flows through the back surface of the diffusion part 32 through the cooling water flow path 14 of the anode separator 4 facing the recess 61a (FIGS. 16C and 17B). When the cooling water channel 14 and the cooling water channel 34 face each other on the downstream side of the back surface of the diffusion portion 32, a part of the cooling water flowing through the cooling water channel 14 flows to the cooling water channel 34 (FIG. 16D). FIG. 17B).

本発明の第3実施形態の効果について説明する。   The effect of the third embodiment of the present invention will be described.

この実施形態では、冷却水導入マニホールド51を長手方向の端部に設けることで、燃料電池を小型にすることができる。   In this embodiment, the fuel cell can be reduced in size by providing the coolant introduction manifold 51 at the end in the longitudinal direction.

本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、その技術的思想の範囲内でなしうるさまざまな変更、改良が含まれることは言うまでもない。   It goes without saying that the present invention is not limited to the above-described embodiments, and includes various modifications and improvements that can be made within the scope of the technical idea.

本発明の第1実施形態の燃料電池の分解斜視図である。1 is an exploded perspective view of a fuel cell according to a first embodiment of the present invention. 本発明の第1実施形態のアノードセパレータの正面図である。It is a front view of the anode separator of a 1st embodiment of the present invention. 本発明の第1実施形態のアノードセパレータの背面図である。It is a rear view of the anode separator of 1st Embodiment of this invention. 図2のA−A断面図である。It is AA sectional drawing of FIG. 本発明の第1実施形態のカソードセパレータの正面図である。It is a front view of the cathode separator of a 1st embodiment of the present invention. 本発明の第1実施形態のカソードセパレータの背面図である。It is a rear view of the cathode separator of a 1st embodiment of the present invention. 本発明の第1実施形態の隣接するアノードセパレータとカソードセパレータとの図である。It is a figure of the adjacent anode separator and cathode separator of 1st Embodiment of this invention. (a)図7のA−A断面図である。(b)図7のB−B断面図である。(c)図7のC−C断面図である。(d)図7のD−D断面図である。(e)図7のE−E断面図である。(A) It is AA sectional drawing of FIG. (B) It is BB sectional drawing of FIG. (C) It is CC sectional drawing of FIG. (D) It is DD sectional drawing of FIG. (E) It is EE sectional drawing of FIG. (a)図7のF−F断面図である。(b)図7のG−G断面図である。(A) It is FF sectional drawing of FIG. (B) It is GG sectional drawing of FIG. 本発明の第2実施形態のカソードセパレータの正面図である。It is a front view of the cathode separator of a 2nd embodiment of the present invention. 本発明の第3実施形態のカソードセパレータの正面図である。It is a front view of the cathode separator of a 3rd embodiment of the present invention. 本発明の第3実施形態のカソードセパレータの背面図である。It is a rear view of the cathode separator of 3rd Embodiment of this invention. 本発明の第3実施形態のアノードセパレータの正面図である。It is a front view of the anode separator of 3rd Embodiment of this invention. 本発明の第3実施形態のアノードセパレータの背面図である。It is a rear view of the anode separator of 3rd Embodiment of this invention. 本発明の第1実施形態の隣接するアノードセパレータとカソードセパレータとの図である。It is a figure of the adjacent anode separator and cathode separator of 1st Embodiment of this invention. (a)図15のA−A断面図である。(b)図15のB−B断面図である。(c)図15のC−C断面図である。(d)図15のD−D断面図である。(A) It is AA sectional drawing of FIG. (B) It is BB sectional drawing of FIG. (C) It is CC sectional drawing of FIG. (D) It is DD sectional drawing of FIG. (a)図15のE−E断面図である。(b)図15のF−F断面図である。(A) It is EE sectional drawing of FIG. (B) It is FF sectional drawing of FIG.

符号の説明Explanation of symbols

1 単位セル
2 電解質膜
3、41 電極部
4、50 アノードセパレータ(第2の金属セパレータ)
5、40、60 カソードセパレータ(第1の金属セパレータ)
11 水素流路(第2の反応ガス流路)
12 拡散部(第2の拡散部)
14 冷却水流路(第2の冷却水流路)
20 水素導入マニホールド(第2の反応ガスマニホールド)
21、51 冷却水導入マニホールド(冷却水マニホールド)
22 空気導入マニホールド(第1の反応ガスマニホールド)
31 空気流路(第1の反応ガス流路)
32 拡散部(第1の拡散部)
34 冷却水流路(第1の冷却水流路)
35、61 突出部
35a、61a 凹部
43 突部
1 unit cell 2 electrolyte membrane 3, 41 electrode part 4, 50 anode separator (second metal separator)
5, 40, 60 Cathode separator (first metal separator)
11 Hydrogen channel (second reactive gas channel)
12 Diffusion part (second diffusion part)
14 Cooling water channel (second cooling water channel)
20 Hydrogen introduction manifold (second reaction gas manifold)
21, 51 Cooling water introduction manifold (cooling water manifold)
22 Air introduction manifold (first reaction gas manifold)
31 Air channel (first reactive gas channel)
32 Diffusion unit (first diffusion unit)
34 Cooling water flow path (first cooling water flow path)
35, 61 Projection 35a, 61a Recess 43 Projection

Claims (4)

電解質膜と、
前記電解質膜の両主面の一部に配設する一対の電極部と、
前記電極部と向かい合う面に形成し、第1の反応ガスが流れる第1の反応ガス流路と、前記電極部と向かい合う面の背面に形成し、冷却水が流れる第1の冷却水流路と、を有する矩形の第1の金属セパレータと、
前記電極部と向かい合う面に形成し、第2の反応ガスが流れる第2の反応ガス流路と、前記電極部と向かい合う面の背面に形成し、冷却水が流れる第2の冷却水流路と、を有する矩形の第2の金属セパレータと、を備えた単位セルを積層して構成する燃料電池において、
前記第1の金属セパレータの長手方向の端部に位置し、前記単位セルの積層方向に延設する冷却水マニホールドと、
矩形の金属セパレータの長手方向に沿って形成される前記第1の反応ガス流路と直交する方向の端部側であり、前記第1の反応ガスの流れに沿って前記冷却水マニホールドと離れて位置し、前記第1の反応ガス流路と連通する第1の反応ガスマニホールドと、
前記冷却水マニホールドと前記第1の反応ガスマニホールドとの間に配置し、前記単位セルの積層方向に延設して前記第2の反応ガス流路と連通する第2の反応ガスマニホールドと、を備え、
前記第1の金属セパレータは、
前記第1の反応ガスマニホールドと前記第1の反応ガス流路とを連結し、前記第1の反応ガス流路の溝深さと深さが略同一の第1の拡散部と、
前記第1の拡散部に隣接し、前記冷却水マニホールドと連結して背面に前記冷却水が流れる凹部を有し、前記電解質膜側へ突出する突出部と、を備え、
前記第2の金属セパレータは、
前記第2の反応ガスマニホールドと前記第2の反応ガス流路とを連結し、前記第2の反応ガス流路の溝深さと深さが略同一の第2の拡散部を備え、
前記単位セルを積層した場合に、隣接する前記単位セル間では、前記第1の冷却水流路と前記第2の冷却水流路とが向かい合い、かつ前記凹部と、前記第2の冷却水流路の少なくとも一部と、が向かい合うことを特徴とする燃料電池。
An electrolyte membrane;
A pair of electrode portions disposed on a part of both main surfaces of the electrolyte membrane;
A first reaction gas passage formed on a surface facing the electrode portion and through which a first reaction gas flows; and a first cooling water passage formed on a back surface of the surface facing the electrode portion and through which cooling water flows; A rectangular first metal separator having
A second reaction gas flow path formed on a surface facing the electrode portion and through which a second reaction gas flows; a second cooling water flow channel formed on the back surface of the surface facing the electrode portion and through which cooling water flows; A fuel cell configured by stacking unit cells each having a rectangular second metal separator,
A cooling water manifold located at the longitudinal end of the first metal separator and extending in the stacking direction of the unit cells;
An end portion in a direction orthogonal to the first reaction gas flow path formed along the longitudinal direction of the rectangular metal separator, and separated from the cooling water manifold along the flow of the first reaction gas. A first reaction gas manifold located and in communication with the first reaction gas flow path;
A second reaction gas manifold disposed between the cooling water manifold and the first reaction gas manifold, extending in the stacking direction of the unit cells and communicating with the second reaction gas flow path; Prepared,
The first metal separator is
A first diffusion portion that connects the first reaction gas manifold and the first reaction gas flow path, and has substantially the same groove depth and depth as the first reaction gas flow path;
A protrusion adjacent to the first diffusion part, connected to the cooling water manifold, and having a recess through which the cooling water flows, and protruding toward the electrolyte membrane;
The second metal separator is
The second reaction gas manifold and the second reaction gas channel are connected to each other, and a second diffusion portion having substantially the same groove depth and depth as the second reaction gas channel is provided,
When the unit cells are stacked, between the adjacent unit cells, the first cooling water channel and the second cooling water channel face each other, and the recess and at least the second cooling water channel A fuel cell characterized in that a part faces each other.
前記第1の反応ガスは、酸化剤ガスであり、
前記第1拡散部は、前記電極部と当接する複数の突部を備えることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池。
The first reaction gas is an oxidant gas;
The fuel cell according to claim 1, wherein the first diffusion portion includes a plurality of protrusions that contact the electrode portion.
前記突部は円柱形状であることを特徴とする請求項2に記載の燃料電池。   The fuel cell according to claim 2, wherein the protrusion has a cylindrical shape. 前記第冷却水マニホールドは、前記第1の反応ガスの流れ方向の端部に位置し、第1の反応ガスの流れ方向に交差する方向の幅が、第1の金属セパレータにおける第1の反応ガス流路を設けた領域の第1の反応ガスの流れ方向に交差する方向の幅と略同一であることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池。   The first cooling water manifold is located at an end of the first reactive gas in the flow direction, and the width in the direction intersecting the first reactive gas flow direction is the first reactive gas in the first metal separator. 2. The fuel cell according to claim 1, wherein the width of the region in which the flow path is provided is substantially the same as the width in the direction intersecting the flow direction of the first reactant gas.
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