JP5372627B2 - Fuel cell - Google Patents

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JP5372627B2 JP2009162046A JP2009162046A JP5372627B2 JP 5372627 B2 JP5372627 B2 JP 5372627B2 JP 2009162046 A JP2009162046 A JP 2009162046A JP 2009162046 A JP2009162046 A JP 2009162046A JP 5372627 B2 JP5372627 B2 JP 5372627B2
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Description

本発明は、電解質の両側に一対の電極が設けられる電解質・電極構造体と金属セパレータとを積層し、前記電解質・電極構造体と前記金属セパレータとの間に、電極面に沿って反応ガスを供給する反応ガス流路が形成されるとともに、積層方向に貫通して前記反応ガス流路に連通する反応ガス連通孔を備える燃料電池に関する。   In the present invention, an electrolyte / electrode structure provided with a pair of electrodes on both sides of an electrolyte and a metal separator are stacked, and a reaction gas is passed along the electrode surface between the electrolyte / electrode structure and the metal separator. The present invention relates to a fuel cell in which a reaction gas flow path to be supplied is formed and a reaction gas communication hole penetrating in the stacking direction and communicating with the reaction gas flow path.

例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜の両側に、それぞれアノード側電極及びカソード側電極を配設した電解質膜・電極構造体(MEA)を、一対のセパレータによって挟持した単位セルを備えている。この種の燃料電池は、通常、所定の数の単位セルを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。   For example, in a polymer electrolyte fuel cell, an electrolyte membrane / electrode structure (MEA) in which an anode side electrode and a cathode side electrode are disposed on both sides of an electrolyte membrane made of a polymer ion exchange membrane is provided by a pair of separators. The unit cell is sandwiched. This type of fuel cell is normally used as a fuel cell stack by stacking a predetermined number of unit cells.

上記の燃料電池では、一方の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)が設けられるとともに、他方のセパレータの面内に、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)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。   In the above fuel cell, a fuel gas channel (reactive gas channel) for flowing fuel gas is provided in the surface of one separator so as to face the anode side electrode, and in the surface of the other separator, An oxidant gas flow path (reaction gas flow path) for flowing an oxidant gas is provided facing the cathode side electrode. Further, between the separators, a cooling medium flow path for flowing the cooling medium is provided along the surface direction of the separator.

さらに、この種の燃料電池では、単位セルの積層方向に貫通して燃料ガスを流すための燃料ガス入口連通孔(反応ガス連通孔)及び燃料ガス出口連通孔(反応ガス連通孔)と、酸化剤ガスを流すための酸化剤ガス入口連通(反応ガス連通孔)孔及び酸化剤ガス出口連通孔(反応ガス連通孔)と、冷却媒体を流すための冷却媒体入口連通孔及び冷却媒体出口連通孔とを内部に備える、所謂、内部マニホールド型燃料電池を構成する場合が多い。   Furthermore, in this type of fuel cell, a fuel gas inlet communication hole (reactive gas communication hole) and a fuel gas outlet communication hole (reactive gas communication hole) for flowing fuel gas through the unit cell in the stacking direction, Oxidant gas inlet communication hole (reaction gas communication hole) and oxidant gas outlet communication hole (reaction gas communication hole) for flowing the oxidant gas, and cooling medium inlet communication hole and cooling medium outlet communication hole for flowing the cooling medium In many cases, a so-called internal manifold type fuel cell is provided.

その際、反応ガス流路と反応ガス連通孔とは、反応ガスを円滑且つ均等に流すために平行溝部等を有する連結流路を介して連通している。ところが、セパレータと電解質・電極構造体とを、シール部材を介装して締め付け固定する際に、このシール部材が連結流路内に進入してしまい、所望のシール性を維持することができず、しかも反応ガスが良好に流れないという問題がある。   At that time, the reaction gas channel and the reaction gas communication hole communicate with each other through a connection channel having parallel grooves or the like in order to allow the reaction gas to flow smoothly and evenly. However, when the separator and the electrolyte / electrode structure are clamped and fixed with a seal member interposed therebetween, the seal member enters the connecting flow path, and the desired sealing performance cannot be maintained. In addition, there is a problem that the reaction gas does not flow well.

そこで、特許文献1に開示されている固体高分子型燃料電池スタックでは、図9に示すように、セパレータ1の面内に蛇行する反応ガス、例えば、酸化剤ガス流路2が形成されている。この酸化剤ガス流路2は、セパレータ1の周縁部に積層方向に貫通した酸化剤ガス供給用貫通孔3と酸化剤ガス排出用貫通孔4とに連通している。セパレータ1にはパッキン5が配置されており、このセパレータ1の面内で貫通孔3、4と酸化剤ガス流路2とを連通するとともに、他の貫通孔をこれらからシールしている。   Therefore, in the polymer electrolyte fuel cell stack disclosed in Patent Document 1, a meandering reaction gas, for example, an oxidant gas flow path 2 is formed in the plane of the separator 1 as shown in FIG. . The oxidant gas flow channel 2 communicates with an oxidant gas supply through hole 3 and an oxidant gas discharge through hole 4 that penetrate the peripheral edge of the separator 1 in the stacking direction. A packing 5 is disposed in the separator 1, and the through holes 3, 4 and the oxidant gas flow path 2 are communicated with each other in the plane of the separator 1, and other through holes are sealed from these.

貫通孔3、4と酸化剤ガス流路2とを連通する連結流路6a、6bには、この連結流路6a、6bを覆ってシール部材であるSUS板7が配置されている。SUS板7は長方形状に構成されており、それぞれ2箇所に耳部7a、7bが設けられるとともに、各耳部7a、7bは、セパレータ1に形成された段差部8に嵌合している。   In the connection flow paths 6a and 6b that connect the through holes 3 and 4 and the oxidant gas flow path 2, a SUS plate 7 that is a seal member is disposed so as to cover the connection flow paths 6a and 6b. The SUS plate 7 is formed in a rectangular shape, and ears 7a and 7b are provided at two locations, respectively, and the ears 7a and 7b are fitted to a step 8 formed on the separator 1.

このように、特許文献1では、SUS板7が連結流路6a、6bを覆っているために、高分子膜(図示せず)及びパッキン5が酸化剤ガス流路2に落ち込むことがなく、所望のシール性を確保して、反応ガスの圧力損失の増大を防止することができる、としている。   Thus, in Patent Document 1, since the SUS plate 7 covers the connection flow paths 6a and 6b, the polymer film (not shown) and the packing 5 do not fall into the oxidant gas flow path 2, The desired sealing performance can be ensured, and an increase in the pressure loss of the reaction gas can be prevented.

特開2001−266911号公報JP 2001-266911 A

上記の特許文献1では、連結流路6a、6bは、通常、複数の溝部により構成されている。このため、特に、金属セパレータが使用される際には、溝部同士の間隔が拡大されると、連結流路6a、6bを横切るシールラインの線圧が抜けてしまうという問題がある。   In the above-mentioned Patent Document 1, the connection flow paths 6a and 6b are usually configured by a plurality of grooves. For this reason, in particular, when a metal separator is used, there is a problem that the line pressure of the seal line crossing the connecting flow paths 6a and 6b is lost when the interval between the grooves is enlarged.

本発明はこの種の問題を解決するものであり、経済的且つ簡単な構成で、荷重抜けを可及的に阻止するとともに、所望のシール機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。   The present invention solves this type of problem, and provides a fuel cell capable of preventing a load drop as much as possible and ensuring a desired sealing function with an economical and simple configuration. With the goal.

本発明は、電解質の両側に一対の電極が設けられる電解質・電極構造体と金属セパレータとを積層し、前記電解質・電極構造体と前記金属セパレータとの間に、電極面に沿って反応ガスを供給する反応ガス流路が形成されるとともに、積層方向に貫通して前記反応ガス流路に連通する反応ガス連通孔を備える燃料電池に関するものである。   In the present invention, an electrolyte / electrode structure provided with a pair of electrodes on both sides of an electrolyte and a metal separator are stacked, and a reaction gas is passed along the electrode surface between the electrolyte / electrode structure and the metal separator. The present invention relates to a fuel cell in which a reaction gas flow path to be supplied is formed and a reaction gas communication hole penetrating in the stacking direction and communicating with the reaction gas flow path.

金属セパレータの一方の面に、反応ガス連通孔と反応ガス流路とを連通する複数の凹溝部がプレス形成されることで、前記金属セパレータの他方の面に前記凹溝部の反対形状である凸形状部が形成されるとともに、前記金属セパレータの前記他方の面と対向する、少なくとも隣接する金属セパレータの一方の面、又は端部部材の一方の面には、前記凸形状部間に位置して受け部材が設けられている。 On one surface of the metal separator, projecting a plurality of concave portions for communicating the reactant gas passage and the reactant gas flow field is by being pressed formed is opposite shape of the groove portion on the other surface of the metal separator with the shape portion is formed, the opposite to the other surface of the metallic plates, on one surface of at least one surface of the adjacent metal separators, or end member, positioned between front Kitotsu shaped portion A receiving member is provided.

また、端部部材は、絶縁プレート又はターミナルプレートであることが好ましい。   The end member is preferably an insulating plate or a terminal plate.

本発明では、金属セパレータには、反応ガス連通孔と反応ガス流路とを連通する複数の凹溝部がプレス形成されるとともに、前記凹溝部の反対形状である凸形状部間に位置して受け部材が設けられている。このため、凸形状部の間隔が拡大されても、金属セパレータ自体の剛性に依存することがなく、前記金属セパレータの薄肉化を図りながら、受け部材を介してシールラインの線圧抜けを良好に抑制することができる。   In the present invention, the metal separator is press-formed with a plurality of concave grooves communicating the reactive gas communication hole and the reactive gas flow path, and is received between the convex shaped parts opposite to the concave groove. A member is provided. For this reason, even if the interval between the convex portions is enlarged, it does not depend on the rigidity of the metal separator itself, and it is possible to reduce the line pressure of the seal line through the receiving member while reducing the thickness of the metal separator. Can be suppressed.

これにより、経済的且つ簡単な構成で、荷重抜けを可及的に阻止するとともに、所望のシール機能を確保することが可能になる。   As a result, it is possible to prevent a load drop as much as possible with an economical and simple configuration and to secure a desired sealing function.

本発明の第1の実施形態に係る燃料電池が積層される燃料電池スタックの斜視説明図である。1 is a perspective explanatory view of a fuel cell stack in which fuel cells according to a first embodiment of the present invention are stacked. FIG. 前記燃料電池の要部分解斜視説明図である。It is a principal part disassembled perspective explanatory drawing of the said fuel cell. 燃料電池スタックの、図2中、III−III線断面説明図である。FIG. 3 is a cross sectional view of the fuel cell stack taken along line III-III in FIG. 2. 前記燃料電池を構成する第1金属セパレータの正面説明図である。It is front explanatory drawing of the 1st metal separator which comprises the said fuel cell. 前記燃料電池スタックの、図2中、V−V線断面説明図である。FIG. 5 is a cross-sectional explanatory view of the fuel cell stack taken along line VV in FIG. 2. 前記燃料電池を構成する第2金属セパレータの正面説明図である。It is front explanatory drawing of the 2nd metal separator which comprises the said fuel cell. ターミナルプレートに凸部が形成される際の説明図である。It is explanatory drawing when a convex part is formed in a terminal plate. 本発明の第2の実施形態に係る燃料電池の要部分解斜視説明図である。It is a principal part disassembled perspective explanatory drawing of the fuel cell which concerns on the 2nd Embodiment of this invention. 特許文献1に係る燃料電池スタックを構成するセパレータの正面視説明図である。It is front view explanatory drawing of the separator which comprises the fuel cell stack which concerns on patent document 1. FIG.

図1に示すように、本発明の第1の実施形態に係る燃料電池10は、矢印A方向に積層されて燃料電池スタック12を構成する。燃料電池10の積層方向両端には、ターミナルプレート14a、14b、絶縁プレート16a、16b及びエンドプレート18a、18bが配設される。   As shown in FIG. 1, the fuel cell 10 according to the first embodiment of the present invention is stacked in the direction of arrow A to constitute a fuel cell stack 12. Terminal plates 14a and 14b, insulating plates 16a and 16b, and end plates 18a and 18b are disposed at both ends of the fuel cell 10 in the stacking direction.

ターミナルプレート14a、14bは、絶縁プレート16a、16bの中央部に形成された凹部(図示せず)に収容されるとともに、前記ターミナルプレート14a、14bの中央から電力取り出し端子20a、20bが積層方向外方に突出する。エンドプレート18a、18bは、図示しないタイロッドにより積層方向に締め付けられているが、これに代えて前記エンドプレート18a、18bを端板とするケーシング(図示せず)内に燃料電池10を収容してもよい。   The terminal plates 14a and 14b are accommodated in recesses (not shown) formed in the central portions of the insulating plates 16a and 16b, and the power extraction terminals 20a and 20b are located outside the stacking direction from the centers of the terminal plates 14a and 14b. Protrudes towards. The end plates 18a and 18b are fastened in the stacking direction by tie rods (not shown). Instead, the fuel cell 10 is accommodated in a casing (not shown) having the end plates 18a and 18b as end plates. Also good.

図2及び図3に示すように、燃料電池10は、電解質膜・電極構造体(電解質・電極構造体)24が、第1金属セパレータ26及び第2金属セパレータ28に挟持される。第1金属セパレータ26及び第2金属セパレータ28は、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、めっき処理鋼板、あるいはその金属表面に防食用の表面処理を施した縦長形状の金属板により構成される。第1金属セパレータ26及び第2金属セパレータ28は、平面が矩形状を有するとともに、金属製薄板を波形状にプレス加工することにより、断面凹凸形状に成形される。   As shown in FIGS. 2 and 3, in the fuel cell 10, an electrolyte membrane / electrode structure (electrolyte / electrode structure) 24 is sandwiched between a first metal separator 26 and a second metal separator 28. The first metal separator 26 and the second metal separator 28 are constituted by, for example, a steel plate, a stainless steel plate, an aluminum plate, a plated steel plate, or a vertically long metal plate obtained by performing a surface treatment for anticorrosion on the metal surface. The first metal separator 26 and the second metal separator 28 have a rectangular planar shape, and are formed into a concavo-convex shape by pressing a metal thin plate into a wave shape.

燃料電池10の矢印B方向(図2中、水平方向)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、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30a、冷却媒体を排出するための冷却媒体出口連通孔32b、及び燃料ガス、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34bが、矢印C方向(鉛直方向)に配列して設けられる。   One end edge of the fuel cell 10 in the direction of arrow B (the horizontal direction in FIG. 2) communicates with each other in the direction of arrow A, which is the stacking direction, and oxidizes for supplying an oxidant gas, for example, an oxygen-containing gas. An agent gas inlet communication hole 30a, a cooling medium outlet communication hole 32b for discharging a cooling medium, and a fuel gas outlet communication hole 34b for discharging a fuel gas, for example, a hydrogen-containing gas, are provided in the direction of arrow C (vertical direction). Are provided in an array.

燃料電池10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34a、冷却媒体を供給するための冷却媒体入口連通孔32a、及び酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス出口連通孔30bが、矢印C方向に配列して設けられる。   The other end edge of the fuel cell 10 in the direction of arrow B communicates with each other in the direction of arrow A, a fuel gas inlet communication hole 34a for supplying fuel gas, and a cooling medium inlet communication hole for supplying a cooling medium. 32a and oxidant gas outlet communication holes 30b for discharging the oxidant gas are arranged in the direction of arrow C.

図2及び図4に示すように、第1金属セパレータ26の電解質膜・電極構造体24側の面26aには、例えば、矢印B方向に直線状に延在する酸化剤ガス流路(反応ガス流路)36が設けられる。酸化剤ガス流路36は、第1金属セパレータ26を波形状に成形することにより設けられる複数の溝部を備え、第1金属セパレータ26の反対側の面26bには、前記酸化剤ガス流路36の裏面形状である冷却媒体流路38の一部が形成される。   As shown in FIGS. 2 and 4, on the surface 26a of the first metal separator 26 on the electrolyte membrane / electrode structure 24 side, for example, an oxidant gas flow path (reactive gas) extending linearly in the arrow B direction. A flow path) 36 is provided. The oxidant gas flow path 36 includes a plurality of grooves provided by forming the first metal separator 26 into a wave shape, and the oxidant gas flow path 36 is provided on the opposite surface 26 b of the first metal separator 26. A part of the cooling medium flow path 38 having a back surface shape is formed.

酸化剤ガス流路36と酸化剤ガス入口連通孔30a及び酸化剤ガス出口連通孔30bとは、連結流路40a、40bを介して連通する。連結流路40a、40bは、それぞれ矢印C方向に配列される複数の凹溝部42a、42bを有する(図3〜図5参照)。凹溝部42a、42bは、第1金属セパレータ26にプレス成形されている。   The oxidant gas flow path 36 communicates with the oxidant gas inlet communication hole 30a and the oxidant gas outlet communication hole 30b via the connection flow paths 40a and 40b. The connection flow paths 40a and 40b each have a plurality of concave grooves 42a and 42b arranged in the direction of arrow C (see FIGS. 3 to 5). The recessed groove portions 42 a and 42 b are press-molded in the first metal separator 26.

図2及び図6に示すように、第2金属セパレータ28の電解質膜・電極構造体24側の面28aには、燃料ガス入口連通孔34aと燃料ガス出口連通孔34bとに連通し、矢印B方向に延在する燃料ガス流路(反応ガス流路)44が形成される。   2 and 6, the surface 28a of the second metal separator 28 on the electrolyte membrane / electrode structure 24 side communicates with the fuel gas inlet communication hole 34a and the fuel gas outlet communication hole 34b, and the arrow B A fuel gas channel (reactive gas channel) 44 extending in the direction is formed.

燃料ガス流路44は、第2金属セパレータ28を波形状に成形することにより設けられる複数の溝部を備えるとともに、前記燃料ガス流路44と燃料ガス入口連通孔34a及び燃料ガス出口連通孔34bとは、連結流路46a、46bを介して連通する。連結流路46a、46bは、それぞれ矢印C方向に配列される複数の凹溝部48a、48bを有する。凹溝部48a、48bは、第2金属セパレータ28にプレス成形されている。   The fuel gas channel 44 includes a plurality of grooves provided by forming the second metal separator 28 into a wave shape, and the fuel gas channel 44, the fuel gas inlet communication hole 34a, and the fuel gas outlet communication hole 34b, Communicate with each other via the connecting flow paths 46a and 46b. The connection flow paths 46a and 46b have a plurality of concave grooves 48a and 48b arranged in the direction of arrow C, respectively. The recessed groove portions 48 a and 48 b are press-molded in the second metal separator 28.

図2に示すように、第2金属セパレータ28の面28aとは反対の面28bには、冷却媒体入口連通孔32aと冷却媒体出口連通孔32bとに連通する冷却媒体流路38の一部が形成される。   As shown in FIG. 2, a part of the cooling medium flow path 38 communicating with the cooling medium inlet communication hole 32a and the cooling medium outlet communication hole 32b is formed on the surface 28b opposite to the surface 28a of the second metal separator 28. It is formed.

第1金属セパレータ26の面26a、26bには、この第1金属セパレータ26の外周端部を周回して、第1シール部材50が焼き付けや射出成形等により一体化される。第2金属セパレータ28の面28a、28bには、この第2金属セパレータ28の外周端部を周回して、第2シール部材52が焼き付けや射出成形等により一体化される。   The first seal member 50 is integrated with the surfaces 26a and 26b of the first metal separator 26 by baking or injection molding around the outer peripheral end of the first metal separator 26. The second seal member 52 is integrated with the surfaces 28a and 28b of the second metal separator 28 around the outer peripheral end of the second metal separator 28 by baking or injection molding.

第1シール部材50及び第2シール部材52は、例えば、EPDM、NBR、フッ素ゴム、シリコンゴム、フロロシリコンゴム、ブチルゴム、天然ゴム、スチレンゴム、クロロプレーン、又はアクリルゴム等のシール材、クッション材、あるいはパッキン材を使用する。   The first seal member 50 and the second seal member 52 are, for example, EPDM, NBR, fluororubber, silicon rubber, fluorosilicone rubber, butyl rubber, natural rubber, styrene rubber, chloroprene, or acrylic rubber, or a cushioning material. Or use packing material.

第1金属セパレータ26の面26bには、図4に示すように、冷却媒体流路38側に突出し、第2金属セパレータ28に設けられた凹溝部48a、48bの反対形状である凸形状部間に位置して受け部材54a、54bが設けられる。受け部材54a、54bは、例えば、第1シール部材50と一体成形されているが、前記第1シール部材50と別体に構成してもよい。以下、同様である。   As shown in FIG. 4, the surface 26 b of the first metal separator 26 protrudes toward the cooling medium flow path 38, and is between the convex portions that are opposite to the concave grooves 48 a and 48 b provided in the second metal separator 28. The receiving members 54a and 54b are provided at the positions. For example, the receiving members 54 a and 54 b are integrally formed with the first seal member 50, but may be configured separately from the first seal member 50. The same applies hereinafter.

第2金属セパレータ28の面28bには、冷却媒体流路38側に突出し、第1金属セパレータ26に設けられた凹溝部42a、42bの反対形状である凸形状部間に位置して受け部材56a、56bが設けられる(図2、図3及び図5参照)。受け部材56a、56bは、例えば、第1シール部材50と一体成形される。   The receiving member 56a is located on the surface 28b of the second metal separator 28 and protrudes toward the cooling medium flow path 38 and is located between the convex portions that are opposite to the concave grooves 42a and 42b provided in the first metal separator 26. , 56b (see FIGS. 2, 3 and 5). The receiving members 56a and 56b are integrally formed with the first seal member 50, for example.

図5に示すように、積層方向最端部に配置されている第1金属セパレータ26に隣接する絶縁プレート16bには、凹溝部42a、42bの反対形状である凸形状部間に位置して受け部材58が設けられる。同様に、積層方向最端部に配置されている第2金属セパレータ28に隣接する絶縁プレート16aには、図示しないが、凹溝部48a、48bの反対形状である凸形状部間に位置して受け部材が設けられる。   As shown in FIG. 5, the insulating plate 16b adjacent to the first metal separator 26 arranged at the extreme end in the stacking direction is positioned between the convex portions which are opposite to the concave groove portions 42a and 42b. A member 58 is provided. Similarly, although not shown, the insulating plate 16a adjacent to the second metal separator 28 disposed at the extreme end in the stacking direction is positioned between the convex portions that are opposite to the concave groove portions 48a and 48b. A member is provided.

図2及び図3に示すように、電解質膜・電極構造体24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た固体高分子電解質膜60と、前記固体高分子電解質膜60を挟持するアノード側電極62及びカソード側電極64とを備える。固体高分子電解質膜60の外周縁部は、アノード側電極62及びカソード側電極64の外周端部よりも外方に突出している。   2 and 3, the electrolyte membrane / electrode structure 24 includes, for example, a solid polymer electrolyte membrane 60 in which a perfluorosulfonic acid thin film is impregnated with water, and the solid polymer electrolyte membrane 60 interposed therebetween. An anode side electrode 62 and a cathode side electrode 64 are provided. The outer peripheral edge of the solid polymer electrolyte membrane 60 protrudes outward from the outer peripheral ends of the anode side electrode 62 and the cathode side electrode 64.

アノード側電極62及びカソード側電極64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が前記ガス拡散層の表面に一様に塗布された電極触媒層とを有する。電極触媒層は、互いに固体高分子電解質膜60を介装して対向するように、前記固体高分子電解質膜60の両面に接合されている。   The anode side electrode 62 and the cathode side electrode 64 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. And have. The electrode catalyst layers are bonded to both surfaces of the solid polymer electrolyte membrane 60 so as to face each other with the solid polymer electrolyte membrane 60 interposed therebetween.

カソード側電極64は、面方向に沿って第1金属セパレータ26の連結流路40a、40b側(矢印B方向外方)に突出する突出端部64a、64bを備える。アノード側電極62は、面方向に沿って第2金属セパレータ28の連結流路46a、46bに突出する突出端部62a、62bを有する。   The cathode-side electrode 64 includes projecting end portions 64a and 64b projecting toward the connection flow paths 40a and 40b (outward in the direction of arrow B) of the first metal separator 26 along the surface direction. The anode side electrode 62 has projecting end portions 62a and 62b projecting into the connection flow paths 46a and 46b of the second metal separator 28 along the surface direction.

図1に示すように、エンドプレート18aには、酸化剤ガス入口連通孔30a、冷却媒体出口連通孔32b及び燃料ガス出口連通孔34bに連通する酸化剤ガス入口マニホールド66a、冷却媒体出口マニホールド68b及び燃料ガス出口マニホールド70bと、燃料ガス入口連通孔34a、冷却媒体入口連通孔32a及び酸化剤ガス出口連通孔30bに連通する燃料ガス入口マニホールド70a、冷却媒体入口マニホールド68a及び酸化剤ガス出口マニホールド66bとが設けられる。   As shown in FIG. 1, the end plate 18a includes an oxidant gas inlet communication hole 30a, a cooling medium outlet communication hole 32b, and an oxidant gas inlet manifold 66a communicating with the fuel gas outlet communication hole 34b, a cooling medium outlet manifold 68b, and A fuel gas outlet manifold 70b, a fuel gas inlet communication hole 34a, a cooling medium inlet communication hole 32a, and a fuel gas inlet manifold 70a communicating with the oxidant gas outlet communication hole 30b; a cooling medium inlet manifold 68a and an oxidant gas outlet manifold 66b; Is provided.

このように構成される燃料電池10の動作について、以下に説明する。   The operation of the fuel cell 10 configured as described above will be described below.

先ず、図1に示すように、燃料ガス入口マニホールド70aから燃料ガス入口連通孔34aに水素含有ガス等の燃料ガスが供給されるとともに、酸化剤ガス入口マニホールド66aから酸化剤ガス入口連通孔30aに酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給される。さらに、冷却媒体入口マニホールド68aから冷却媒体入口連通孔32a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。   First, as shown in FIG. 1, a fuel gas such as a hydrogen-containing gas is supplied from the fuel gas inlet manifold 70a to the fuel gas inlet communication hole 34a, and from the oxidant gas inlet manifold 66a to the oxidant gas inlet communication hole 30a. An oxidant gas such as an oxygen-containing gas is supplied. Further, a cooling medium such as pure water, ethylene glycol, or oil is supplied from the cooling medium inlet manifold 68a to the cooling medium inlet communication hole 32a.

このため、燃料ガスは、図2及び図6に示すように、燃料ガス入口連通孔34aから第2金属セパレータ28の燃料ガス流路44に導入され、矢印B方向に移動しながら、電解質膜・電極構造体24を構成するアノード側電極62に供給される。一方、酸化剤ガスは、図2及び図4に示すように、酸化剤ガス入口連通孔30aから第1金属セパレータ26の酸化剤ガス流路36に導入され、矢印B方向に移動しながら、電解質膜・電極構造体24を構成するカソード側電極64に供給される。   Therefore, as shown in FIGS. 2 and 6, the fuel gas is introduced into the fuel gas flow path 44 of the second metal separator 28 from the fuel gas inlet communication hole 34a and moves in the direction of arrow B while It is supplied to the anode side electrode 62 constituting the electrode structure 24. On the other hand, the oxidant gas is introduced into the oxidant gas flow path 36 of the first metal separator 26 from the oxidant gas inlet communication hole 30a as shown in FIGS. It is supplied to the cathode side electrode 64 constituting the membrane / electrode structure 24.

従って、電解質膜・電極構造体24では、カソード側電極64に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極62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。   Therefore, in the electrolyte membrane / electrode structure 24, the oxidant gas supplied to the cathode side electrode 64 and the fuel gas supplied to the anode side electrode 62 are consumed by an electrochemical reaction in the electrode catalyst layer, and power generation is performed. Is done.

次いで、アノード側電極62に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス出口連通孔34bに沿って矢印A方向に排出される。同様に、カソード側電極64に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス出口連通孔30bに沿って矢印A方向に排出される。   Next, the fuel gas consumed by being supplied to the anode side electrode 62 is discharged in the direction of arrow A along the fuel gas outlet communication hole 34b. Similarly, the oxidant gas consumed by being supplied to the cathode side electrode 64 is discharged in the direction of arrow A along the oxidant gas outlet communication hole 30b.

また、冷却媒体入口連通孔32aに供給された冷却媒体は、第1及び第2金属セパレータ26、28間の冷却媒体流路38に導入された後、矢印B方向に流通する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体24を冷却した後、冷却媒体出口連通孔32bから排出される。   The cooling medium supplied to the cooling medium inlet communication hole 32a is introduced into the cooling medium flow path 38 between the first and second metal separators 26 and 28 and then flows in the direction of arrow B. After cooling the electrolyte membrane / electrode structure 24, the cooling medium is discharged from the cooling medium outlet communication hole 32b.

この場合、第1の実施形態では、図5に示すように、第1金属セパレータ26には、連結流路40aを構成する複数の凹溝部42aが設けられるとともに、第2金属セパレータ28には、冷却媒体流路38側に突出し、前記凹溝部42aの反対形状である凸形状部間に位置して受け部材56aが設けられている。   In this case, in the first embodiment, as shown in FIG. 5, the first metal separator 26 is provided with a plurality of concave groove portions 42 a constituting the connection flow path 40 a, and the second metal separator 28 has A receiving member 56a is provided that protrudes toward the cooling medium flow path 38 and is located between convex portions that are opposite to the concave groove portion 42a.

このため、凹溝部42aの間隔(凸形状部の間隔)が拡大されても、第1金属セパレータ26自体の剛性に依存することがなく、受け部材56aを介してシールラインの線圧抜けを良好に抑制することができる。これにより、経済的且つ簡単な構成で、荷重抜けを可及的に阻止するとともに、所望のシール機能を確保することが可能になるという効果が得られる。   For this reason, even if the interval between the concave groove portions 42a (the interval between the convex shaped portions) is enlarged, it does not depend on the rigidity of the first metal separator 26 itself, and the line pressure of the seal line is excellent through the receiving member 56a. Can be suppressed. Thereby, it is possible to obtain an effect of preventing a load drop as much as possible with an economical and simple configuration and securing a desired sealing function.

しかも、第1金属セパレータ26(及び第2金属セパレータ28)の薄肉化を図ることができ、燃料電池10の小型化及び軽量化が容易に遂行可能になる。   In addition, the first metal separator 26 (and the second metal separator 28) can be thinned, and the fuel cell 10 can be easily reduced in size and weight.

さらに、第1の実施形態では、絶縁プレート16bには、凹溝部42a、42bの反対形状である凸形状部間に位置して受け部材58が設けられている。従って、特に、積層方向最端部に配置されている第1金属セパレータ26は、シールラインの線圧抜けを良好に抑制することができる。   Furthermore, in 1st Embodiment, the receiving member 58 is provided in the insulating plate 16b located between the convex shape parts which are the opposite shapes of the concave groove parts 42a and 42b. Therefore, in particular, the first metal separator 26 disposed at the extreme end in the stacking direction can satisfactorily suppress the line pressure loss of the seal line.

なお、第1の実施形態では、絶縁プレート16bに受け部材58等を設けているが、これに代えて、例えば、図7に示すように、ターミナルプレート14a、14bに、凸部(受け部材)72を設けてもよい。また、図示しないが、積層方向端部にダミーセルを配設するとともに、このダミーセルに受け部材を設けてもよい。ダミーセルは、一般的に燃料電池10と同様に構成されており、電解質膜・電極構造体24に代えて同厚の板部材(非発電体)を用い、この板部材を第1金属セパレータ26と第2金属セパレータ28とで挟持して構成すればよい。さらにまた、受け部材は、少なくとも金属セパレータ、絶縁プレート、ターミナルプレート又はダミーセルのいずれかに設けてもよい。   In the first embodiment, the receiving member 58 and the like are provided on the insulating plate 16b. Instead, for example, as shown in FIG. 7, the terminal plates 14a and 14b are provided with convex portions (receiving members). 72 may be provided. Although not shown, a dummy cell may be provided at the end in the stacking direction, and a receiving member may be provided on the dummy cell. The dummy cell is generally configured in the same manner as the fuel cell 10, and uses a plate member (non-power generation body) of the same thickness instead of the electrolyte membrane / electrode structure 24, and this plate member is connected to the first metal separator 26. What is necessary is just to comprise between 2nd metal separators 28 and to comprise. Furthermore, the receiving member may be provided on at least one of a metal separator, an insulating plate, a terminal plate, or a dummy cell.

図8は、本発明の第2の実施形態に係る燃料電池80の要部分解斜視説明図である。なお、第1の実施形態に係る燃料電池10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。   FIG. 8 is an exploded perspective view of a main part of a fuel cell 80 according to the second embodiment of the present invention. The same components as those of the fuel cell 10 according to the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.

燃料電池80は、第1金属セパレータ26、第1電解質膜・電極構造体(電解質・電極構造体)24a、中間金属セパレータ82、第2電解質膜・電極構造体24b及び第2金属セパレータ28を設ける。中間金属セパレータ82は、第1電解質膜・電極構造体24aに向かう面82aに燃料ガス流路84が設けられるとともに、第2電解質膜・電極構造体24bに向かう面82bに酸化剤ガス流路86が設けられる。   The fuel cell 80 includes a first metal separator 26, a first electrolyte membrane / electrode structure (electrolyte / electrode structure) 24a, an intermediate metal separator 82, a second electrolyte membrane / electrode structure 24b, and a second metal separator 28. . The intermediate metal separator 82 is provided with a fuel gas channel 84 on a surface 82a facing the first electrolyte membrane / electrode structure 24a, and an oxidant gas channel 86 on a surface 82b facing the second electrolyte membrane / electrode structure 24b. Is provided.

このように構成される第2の実施形態では、第1金属セパレータ26及び第2金属セパレータ28を備えており、上記の第1の実施形態と同様の効果が得られる。   In the second embodiment configured as described above, the first metal separator 26 and the second metal separator 28 are provided, and the same effect as in the first embodiment can be obtained.

10、80…燃料電池 12…燃料電池スタック
24、24a、24b…電解質膜・電極構造体
26、28…金属セパレータ 30a…酸化剤ガス入口連通孔
30b…酸化剤ガス出口連通孔 32a…冷却媒体入口連通孔
32b…冷却媒体出口連通孔 34a…燃料ガス入口連通孔
34b…燃料ガス出口連通孔 36、86…酸化剤ガス流路
38…冷却媒体流路
40a、40b、46a、46b…連結流路
42a、42b、48a、48b…凹溝部
44、84…燃料ガス流路 50、52…シール部材
54a、54b、56a、56b、58…受け部材
60…固体高分子電解質膜 62…アノード側電極
64…カソード側電極 82…中間金属セパレータ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10, 80 ... Fuel cell 12 ... Fuel cell stack 24, 24a, 24b ... Electrolyte membrane and electrode structure 26, 28 ... Metal separator 30a ... Oxidant gas inlet communication hole 30b ... Oxidant gas outlet communication hole 32a ... Cooling medium inlet Communication hole 32b ... Cooling medium outlet communication hole 34a ... Fuel gas inlet communication hole 34b ... Fuel gas outlet communication hole 36, 86 ... Oxidant gas flow path 38 ... Cooling medium flow path 40a, 40b, 46a, 46b ... Connection flow path 42a , 42b, 48a, 48b ... concave groove 44, 84 ... fuel gas flow path 50, 52 ... sealing members 54a, 54b, 56a, 56b, 58 ... receiving member 60 ... solid polymer electrolyte membrane 62 ... anode side electrode 64 ... cathode Side electrode 82 ... Intermediate metal separator

Claims (2)

電解質の両側に一対の電極が設けられる電解質・電極構造体と金属セパレータとを積層し、前記電解質・電極構造体と前記金属セパレータとの間に、電極面に沿って反応ガスを供給する反応ガス流路が形成されるとともに、積層方向に貫通して前記反応ガス流路に連通する反応ガス連通孔を備える燃料電池であって、
前記金属セパレータの一方の面に、前記反応ガス連通孔と前記反応ガス流路とを連通する複数の凹溝部がプレス形成されることで、前記金属セパレータの他方の面に前記凹溝部の反対形状である凸形状部が形成されるとともに、
前記金属セパレータの前記他方の面と対向する、少なくとも隣接する金属セパレータの一方の面、又は端部部材の一方の面には、前記凸形状部間に位置して受け部材が設けられることを特徴とする燃料電池。
A reaction gas in which a pair of electrodes is provided on both sides of an electrolyte and an electrode / electrode structure and a metal separator are stacked, and a reaction gas is supplied along the electrode surface between the electrolyte / electrode structure and the metal separator. A fuel cell having a reaction gas communication hole formed therein and having a reaction gas communication hole penetrating in the stacking direction and communicating with the reaction gas flow channel,
On one surface of the metal separator, the reaction gas passage and said reactant gas channel by a plurality of recessed grooves communicating is pressed formed, opposite shape of the groove portion on the other surface of the metal separator As a convex shape part is formed ,
The opposite to the other surface of the metal separator, at least one surface of the adjacent metal separators, or on one surface of the end member, that the receiving member is located is provided between front Kitotsu shaped portion A fuel cell.
請求項1記載の燃料電池において、前記端部部材は、絶縁プレート又はターミナルプレートであることを特徴とする燃料電池。   2. The fuel cell according to claim 1, wherein the end member is an insulating plate or a terminal plate.
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