JP5584710B2 - Fuel cell - Google Patents

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Description

本発明は、電解質膜の両側に一対の電極を設けた電解質膜・電極構造体とセパレータとが積層され、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、前記反応ガス流路の入口側に連通する入口バッファ部と、前記反応ガス流路の出口側に連通する出口バッファ部とが設けられる燃料電池に関する。   In the present invention, an electrolyte membrane / electrode structure provided with a pair of electrodes on both sides of an electrolyte membrane and a separator are laminated, and a reaction gas flow path for supplying a reaction gas is formed along the electrode surface. The present invention relates to a fuel cell provided with an inlet buffer section communicating with an inlet side of a gas flow path and an outlet buffer section communicating with an outlet side of 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、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 sandwiched by separators. A unit cell is provided. 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、セパレータの面内に、アノード側電極に燃料ガスを流すための燃料ガス流路(反応ガス流路)と、カソード側電極に酸化剤ガスを流すための酸化剤ガス流路(反応ガス流路)とが設けられている。さらに、各発電セル毎又は複数の発電セル毎に、冷却媒体を流すための冷却媒体流路が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 (reaction gas channel) for flowing fuel gas to the anode side electrode and an oxidant gas channel for flowing oxidant gas to the cathode side electrode in the plane of the separator (Reactive gas flow path) is provided. Furthermore, a cooling medium flow path for flowing a cooling medium is provided along the surface direction of the separator for each power generation cell or for each of the plurality of power generation cells.

この種の燃料電池は、セパレータの積層方向に貫通する反応ガス入口連通孔、反応ガス出口連通孔、冷却媒体入口連通孔及び冷却媒体出口連通孔が前記燃料電池の内部に設けられる、所謂、内部マニホールドを構成する場合がある。   This type of fuel cell has a so-called internal structure in which a reaction gas inlet communication hole, a reaction gas outlet communication hole, a cooling medium inlet communication hole, and a cooling medium outlet communication hole penetrating in the stacking direction of the separator are provided in the fuel cell. A manifold may be configured.

その際、一般的に、反応ガス入口連通孔と反応ガス流路との間には、前記反応ガス流路に反応ガスを均一に分散させて供給するために、入口バッファ部が設けられている。一方、反応ガス流路と反応ガス出口連通孔との間には、前記反応ガス出口連通孔に反応ガスを均一に合流させるために、出口バッファ部が設けられている。   At this time, generally, an inlet buffer portion is provided between the reactive gas inlet communication hole and the reactive gas flow path in order to uniformly distribute and supply the reactive gas to the reactive gas flow path. . On the other hand, an outlet buffer section is provided between the reaction gas flow path and the reaction gas outlet communication hole in order to allow the reaction gas to uniformly join the reaction gas outlet communication hole.

例えば、特許文献1では、図10に示すように、セパレータ1のガス流路2を、入口マニホールド3a及び出口マニホールド3bへの入口及び出口の通路幅より幅広に形成された流路幅を備え且つ流路を複数に分割するリブ4aを備える主流路部2aと、入口マニホールド3a若しくは出口マニホールド3bへの入口若しくは出口と主流路部2aとの間に配置され、流路を複数に分割するリブ4b、4cを備え且つリブ4b、4cの端部と主流路部2aのリブ4aとの間に再配流若しくは再合流のための隙間5a、5bを備えた配流部2b及び合流部2cと、から構成している。   For example, in Patent Document 1, as shown in FIG. 10, the gas flow path 2 of the separator 1 has a flow path width formed wider than the inlet and outlet passage widths to the inlet manifold 3a and the outlet manifold 3b. A main flow path portion 2a having a rib 4a that divides a flow path into a plurality of parts, and a rib 4b that is arranged between an inlet or outlet to the inlet manifold 3a or the outlet manifold 3b and the main flow path section 2a and divides the flow path into a plurality of times. 4c and a flow distribution section 2b and a merge section 2c provided with gaps 5a and 5b for redistribution or recombination between the ends of the ribs 4b and 4c and the rib 4a of the main flow path section 2a. doing.

そして、再配流若しくは再合流のための隙間5a、5bが存在するセパレータ1の長手方向位置には、主流路部2a又は配流部2b若しくは合流部2cから当該流路を分割するリブ4b、4cを延在させたリブが少なくとも一箇所存在するようにしている。   And in the longitudinal direction position of the separator 1 where the gaps 5a and 5b for redistribution or recombination exist, ribs 4b and 4c that divide the flow path from the main flow path part 2a or the distribution part 2b or the merge part 2c are provided. There are at least one extended rib.

特開2006−172924号公報JP 2006-172924 A

上記の特許文献1では、配流部2b及び合流部2cが同等に構成されているため、前記配流部2b及び前記合流部2cは、同等の流路抵抗を有している。ここで、ガス流路2が、特にアノード側電極に純水素を供給する燃料ガス流路である場合、発電によりこの燃料ガス流路において水素が消費され、前記燃料ガス流路の入口側に対して出口側で流量が減少している。   In the above-mentioned patent document 1, since the flow distribution section 2b and the merge section 2c are configured to be equivalent, the flow distribution section 2b and the merge section 2c have the same flow path resistance. Here, when the gas flow path 2 is a fuel gas flow path for supplying pure hydrogen to the anode side electrode in particular, hydrogen is consumed in the fuel gas flow path by power generation, and the fuel gas flow path is connected to the inlet side of the fuel gas flow path. The flow rate is decreasing at the outlet side.

その際、上記の特許文献1では、配流部2bにおける圧損が、合流部2cにおける圧損よりも大きくなり、入口マニホールド3aに近接する流路に水素が優先的に流れてしまう。一方、入口マニホールド3aから離間する流路では、水素不足が発生してしまう。これにより、発電性能が低下するとともに、電極の劣化が惹起するという問題がある。   At that time, in Patent Document 1 described above, the pressure loss in the flow distribution section 2b is larger than the pressure loss in the merge section 2c, and hydrogen preferentially flows into the flow path adjacent to the inlet manifold 3a. On the other hand, hydrogen shortage occurs in the flow path away from the inlet manifold 3a. Thereby, there is a problem that the power generation performance is deteriorated and the electrode is deteriorated.

本発明はこの種の問題を解決するものであり、入口バッファ部及び出口バッファ部に連通する反応ガス流路に、反応ガスを均一に分配することができ、簡単な構成で、発電性能を良好に維持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 kind of problem, and the reaction gas can be uniformly distributed to the reaction gas flow path communicating with the inlet buffer portion and the outlet buffer portion, and the power generation performance is excellent with a simple configuration. It is an object of the present invention to provide a fuel cell that can be maintained in the above manner.

本発明は、電解質膜の両側に一対の電極を設けた電解質膜・電極構造体とセパレータとが積層され、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、前記反応ガス流路の入口側に連通する入口バッファ部と、前記反応ガス流路の出口側に連通する出口バッファ部とが設けられる燃料電池に関するものである。   In the present invention, an electrolyte membrane / electrode structure provided with a pair of electrodes on both sides of an electrolyte membrane and a separator are laminated, and a reaction gas flow path for supplying a reaction gas is formed along the electrode surface. The present invention relates to a fuel cell in which an inlet buffer portion communicating with an inlet side of a gas flow channel and an outlet buffer portion communicating with an outlet side of the reaction gas flow channel are provided.

この燃料電池では、反応ガス流路は、複数の直線状突起部間に形成される複数の直線状流路溝を有し、入口バッファ部及び出口バッファ部は、突起部を介して複数の溝部を有するとともに、前記入口バッファ部及び前記出口バッファ部の前記突起部の一部は、前記反応ガス流路の前記直線状突起部の一部に連続して設けられ、前記入口バッファ部の溝部幅は、前記出口バッファ部の溝部幅よりも幅広に設定されている。 In this fuel cell, the reaction gas channel has a plurality of linear channel grooves formed between the plurality of linear projections, and the inlet buffer unit and the outlet buffer unit have a plurality of groove parts via the projections. And a part of the protrusions of the inlet buffer part and the outlet buffer part is provided continuously with a part of the linear protrusion part of the reaction gas flow path, and a groove width of the inlet buffer part Is set to be wider than the groove width of the outlet buffer portion.

本発明によれば、入口バッファ部の圧損は、出口バッファ部の圧損よりも小さく設定されている。このため、発電により反応ガス流路で反応ガスが消費される際に、入口バッファ部の圧損と出口バッファ部の圧損とが同等になり、前記反応ガス流路に前記反応ガスを均等に分配することができる。これにより、簡単な構成で、所望の発電性能を良好に維持することが可能になる。   According to the present invention, the pressure loss of the inlet buffer portion is set smaller than the pressure loss of the outlet buffer portion. For this reason, when the reaction gas is consumed in the reaction gas channel by power generation, the pressure loss of the inlet buffer unit and the pressure loss of the outlet buffer unit become equal, and the reaction gas is evenly distributed to the reaction gas channel. be able to. This makes it possible to maintain a desired power generation performance with a simple configuration.

本発明に関連する燃料電池の分解斜視説明図である。It is an exploded perspective view showing a fuel cell that are related to the present invention. 前記燃料電池を構成する第1セパレータの正面説明図である。It is front explanatory drawing of the 1st separator which comprises the said fuel cell. 前記燃料電池を構成する第2セパレータの、図1中、III−III線断面図である。It is the III-III sectional view taken on the line of the 2nd separator which comprises the said fuel cell in FIG. 従来例と前記燃料電池とにおいて、流路溝の入口側から出口側での燃料ガス流量の変化説明図である。FIG. 7 is an explanatory diagram showing changes in the flow rate of fuel gas from the inlet side to the outlet side of the flow channel in the conventional example and the fuel cell . 本発明に関連する燃料電池の分解斜視説明図である。It is an exploded perspective view showing a fuel cell that are related to the present invention. 前記燃料電池を構成する第2セパレータの、図5中、VI−VI線断面図である。FIG. 6 is a cross-sectional view of the second separator constituting the fuel cell, taken along line VI-VI in FIG. 5. 本発明に関連する燃料電池の分解斜視説明図である。It is an exploded perspective view showing a fuel cell that are related to the present invention. 前記燃料電池を構成する第2セパレータの、図7中、VIII−VIII線断面図である。It is the VIII-VIII sectional view taken on the line of the 2nd separator which comprises the said fuel cell in FIG. 本発明の実施形態に係る燃料電池を構成する第2セパレータの正面説明図である。It is a front view showing a second separator of a fuel cell according to the implementation embodiments of the present invention. 特許文献1の燃料電池セパレータの正面説明図である。6 is a front explanatory view of a fuel cell separator of Patent Document 1. FIG.

図1は、本発明に関連する燃料電池10の分解斜視説明図である。 Figure 1 is an exploded perspective view showing a fuel cell 10 that relate to the present invention.

燃料電池10は、電解質膜・電極構造体14が、第1セパレータ(カソード側セパレータ)16と第2セパレータ(アノード側セパレータ)18とに挟持される。第1及び第2セパレータ16、18は、例えば、カーボンセパレータで構成されているが、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金属セパレータにより構成してもよい。   In the fuel cell 10, the electrolyte membrane / electrode structure 14 is sandwiched between a first separator (cathode side separator) 16 and a second separator (anode side separator) 18. The first and second separators 16 and 18 are made of, for example, a carbon separator, but are made of a steel plate, a stainless steel plate, an aluminum plate, a plated steel plate, or a metal separator whose surface has been subjected to anticorrosion treatment. It may be configured.

燃料電池10の矢印B方向(図1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(反応ガス)、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス入口連通孔20a、冷却媒体を供給するための冷却媒体入口連通孔22a、及び燃料ガス(反応ガス)、例えば、水素含有ガスを排出するための燃料ガス出口連通孔24bが、矢印C方向(鉛直方向)に配列して設けられる。   An oxidant gas (reactive gas), for example, an oxygen-containing gas is supplied to one edge of the fuel cell 10 in the direction of arrow B (horizontal direction in FIG. 1) in communication with the direction of arrow A, which is the stacking direction. An oxidant gas inlet communication hole 20a for supplying a cooling medium, a cooling medium inlet communication hole 22a for supplying a cooling medium, and a fuel gas outlet communication hole 24b for discharging a fuel gas (reactive gas), for example, a hydrogen-containing gas. Are arranged in the direction of arrow C (vertical direction).

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24a、冷却媒体を排出するための冷却媒体出口連通孔22b、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20b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, the fuel gas inlet communication hole 24a for supplying fuel gas, and the cooling medium outlet communication hole for discharging the cooling medium. 22b and an oxidant gas outlet communication hole 20b for discharging the oxidant gas are arranged in the direction of arrow C.

電解質膜・電極構造体14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26と、前記固体高分子電解質膜26を挟持するカソード側電極28及びアノード側電極30とを備える。アノード側電極30は、カソード側電極28よりも小さな表面積を有している。   The electrolyte membrane / electrode structure 14 includes, for example, a solid polymer electrolyte membrane 26 in which a perfluorosulfonic acid thin film is impregnated with water, and a cathode side electrode 28 and an anode side electrode 30 that sandwich the solid polymer electrolyte membrane 26. With. The anode side electrode 30 has a smaller surface area than the cathode side electrode 28.

カソード側電極28及びアノード側電極30は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層(図示せず)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て形成される電極触媒層(図示せず)とを有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜26の両面に形成される。   The cathode side electrode 28 and the anode side electrode 30 are uniformly coated with a gas diffusion layer (not shown) made of carbon paper or the like and porous carbon particles carrying a platinum alloy on the surface thereof. And an electrode catalyst layer (not shown) formed. The electrode catalyst layers are formed on both surfaces of the solid polymer electrolyte membrane 26.

第1セパレータ16の電解質膜・電極構造体14に向かう面16aには、酸化剤ガス流路(反応ガス流路)32が設けられる。酸化剤ガス流路32は、図2に示すように、矢印B方向に延在する複数の直線状突起部32a間に形成される複数の直線状流路溝32bを有する。   An oxidant gas flow path (reaction gas flow path) 32 is provided on the surface 16 a of the first separator 16 facing the electrolyte membrane / electrode structure 14. As shown in FIG. 2, the oxidant gas channel 32 has a plurality of linear channel grooves 32 b formed between a plurality of linear protrusions 32 a extending in the arrow B direction.

酸化剤ガス流路32の入口側には、入口バッファ部34が連通するとともに、前記酸化剤ガス流路32の出口側には、出口バッファ部36が連通する。入口バッファ部34は、複数のエンボス34aを有する一方、出口バッファ部36は、複数のエンボス36aを有する。   An inlet buffer section 34 communicates with the inlet side of the oxidant gas flow path 32, and an outlet buffer section 36 communicates with the outlet side of the oxidant gas flow path 32. The inlet buffer part 34 has a plurality of embosses 34a, while the outlet buffer part 36 has a plurality of embosses 36a.

図1に示すように、第1セパレータ16の面16aとは反対の面16bには、冷却媒体流路38が設けられる。冷却媒体流路38は、矢印B方向に延在する複数の直線状突起部38a間に形成される複数の直線状流路溝38bを有する。冷却媒体流路38には、入口バッファ部40及び出口バッファ部42が連通する。入口バッファ部40は、複数のエンボス40aを有する一方、出口バッファ部42は、複数のエンボス42aを有する。   As shown in FIG. 1, a cooling medium flow path 38 is provided on the surface 16 b opposite to the surface 16 a of the first separator 16. The cooling medium channel 38 has a plurality of linear channel grooves 38b formed between a plurality of linear projections 38a extending in the direction of arrow B. An inlet buffer unit 40 and an outlet buffer unit 42 communicate with the cooling medium flow path 38. The inlet buffer unit 40 has a plurality of embosses 40a, while the outlet buffer unit 42 has a plurality of embosses 42a.

第2セパレータ18の電解質膜・電極構造体14に向かう面18aには、燃料ガス流路(反応ガス流路)44が設けられる。燃料ガス流路44は、矢印B方向に延在する複数の直線状突起部44a間に形成される複数の直線状流路溝44bを有する。   A fuel gas channel (reactive gas channel) 44 is provided on the surface 18 a of the second separator 18 facing the electrolyte membrane / electrode structure 14. The fuel gas channel 44 has a plurality of linear channel grooves 44b formed between a plurality of linear protrusions 44a extending in the arrow B direction.

燃料ガス流路44の入口側には、入口バッファ部46が連通するとともに、前記燃料ガス流路44の出口側には、出口バッファ部48が連通する。入口バッファ部46は、複数のエンボス46aを有する一方、出口バッファ部48は、複数のエンボス48aを有する。   An inlet buffer unit 46 communicates with the inlet side of the fuel gas channel 44, and an outlet buffer unit 48 communicates with the outlet side of the fuel gas channel 44. The inlet buffer unit 46 has a plurality of embosses 46a, while the outlet buffer unit 48 has a plurality of embosses 48a.

第2セパレータ18には、燃料ガス入口連通孔24aの近傍に複数の供給孔部49aが形成されるとともに、燃料ガス出口連通孔24bの近傍に複数の排出孔部49bが形成される。供給孔部49aは、面18b側で燃料ガス入口連通孔24aに連通する一方、面18a側で入口バッファ部46に連通する。排出孔部49bは、同様に面18b側で燃料ガス出口連通孔24bに連通する一方、面18a側で出口バッファ部48に連通する。   In the second separator 18, a plurality of supply holes 49a are formed in the vicinity of the fuel gas inlet communication hole 24a, and a plurality of discharge holes 49b are formed in the vicinity of the fuel gas outlet communication hole 24b. The supply hole portion 49a communicates with the fuel gas inlet communication hole 24a on the surface 18b side, and communicates with the inlet buffer portion 46 on the surface 18a side. Similarly, the discharge hole portion 49b communicates with the fuel gas outlet communication hole 24b on the surface 18b side, and communicates with the outlet buffer portion 48 on the surface 18a side.

燃料ガス流路44側では、入口バッファ部46の圧損は、出口バッファ部48の圧損よりも小さく設定される。図3に示すように、入口バッファ部46の深さH1は、出口バッファ部48の深さH2よりも大きく設定される(H1>H2)。 On the fuel gas flow path 44 side, the pressure loss of the inlet buffer unit 46 is set smaller than the pressure loss of the outlet buffer unit 48 . As shown in FIG. 3, the depth H1 of the inlet buffer 46 is set to be greater than the depth H2 of the outlet buffer 48 (H1> H2).

燃料ガスの入口流量Q1であり、前記燃料ガスの出口流量Q2である際、入口バッファ部46の圧損と出口バッファ部48の圧損とを同等にするために、それぞれの深さH1、H2は、H1/H2=√Q1/Q2の関係から設定される。 In order to equalize the pressure loss of the inlet buffer unit 46 and the pressure loss of the outlet buffer unit 48 when the fuel gas inlet flow rate Q1 and the fuel gas outlet flow rate Q2, the respective depths H1 and H2 are: It is set from the relationship of H1 / H2 = 3 √Q1 / Q2 .

酸化剤ガス流路32側では、必要に応じて、上記の燃料ガス流路44側と同様に、入口バッファ部34の圧損は、出口バッファ部36の圧損よりも小さく設定される。   On the oxidant gas channel 32 side, the pressure loss of the inlet buffer unit 34 is set to be smaller than the pressure loss of the outlet buffer unit 36, as necessary, as with the fuel gas channel 44 side.

図1及び図2に示すように、第1セパレータ16の面16a、16bの外周縁部には、ガスケット等のシール部材50、52が設けられる。図1に示すように、第2セパレータ18の面18aの外周縁部には、ガスケット等のシール部材54が設けられる。   As shown in FIGS. 1 and 2, seal members 50 and 52 such as gaskets are provided on the outer peripheral edge portions of the surfaces 16 a and 16 b of the first separator 16. As shown in FIG. 1, a seal member 54 such as a gasket is provided on the outer peripheral edge portion of the surface 18 a of the second separator 18.

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、酸化剤ガス入口連通孔20aに酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス入口連通孔24aに水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、冷却媒体入口連通孔22aに純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体が供給される。   First, as shown in FIG. 1, an oxidant gas such as an oxygen-containing gas is supplied to the oxidant gas inlet communication hole 20a, and a fuel gas such as a hydrogen-containing gas is supplied to the fuel gas inlet communication hole 24a. Further, a cooling medium such as pure water, ethylene glycol, or oil is supplied to the cooling medium inlet communication hole 22a.

このため、酸化剤ガスは、図2に示すように、酸化剤ガス入口連通孔20aから第1セパレータ16の入口バッファ部34に導入される。酸化剤ガスは、入口バッファ部34から酸化剤ガス流路32を構成する複数の流路溝32bに分配供給される。酸化剤ガスは、各流路溝32bに沿って矢印B方向に移動し、電解質膜・電極構造体14のカソード側電極28に供給される。   Therefore, the oxidant gas is introduced into the inlet buffer portion 34 of the first separator 16 from the oxidant gas inlet communication hole 20a as shown in FIG. The oxidant gas is distributed and supplied from the inlet buffer 34 to the plurality of flow channel grooves 32b that constitute the oxidant gas flow channel 32. The oxidant gas moves in the direction of arrow B along each flow channel 32b and is supplied to the cathode side electrode 28 of the electrolyte membrane / electrode structure 14.

一方、燃料ガスは、図1に示すように、第2セパレータ18の面18b側で燃料ガス入口連通孔24aから供給孔部49aを通って面18a側に移動し、入口バッファ部46に導入される。燃料ガスは、入口バッファ部46から燃料ガス流路44を構成する複数の流路溝44bに分配供給される。この燃料ガスは、各流路溝44bに沿って矢印B方向に移動し、電解質膜・電極構造体14のアノード側電極30に供給される。   On the other hand, as shown in FIG. 1, the fuel gas moves from the fuel gas inlet communication hole 24 a to the surface 18 a side through the supply hole portion 49 a on the surface 18 b side of the second separator 18 and is introduced into the inlet buffer portion 46. The The fuel gas is distributed and supplied from the inlet buffer unit 46 to the plurality of flow channel grooves 44 b constituting the fuel gas flow channel 44. The fuel gas moves in the direction of arrow B along each flow channel 44b and is supplied to the anode electrode 30 of the electrolyte membrane / electrode structure 14.

従って、各電解質膜・電極構造体14では、カソード側電極28に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極30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 each electrolyte membrane / electrode structure 14, the oxidant gas supplied to the cathode side electrode 28 and the fuel gas supplied to the anode side electrode 30 are consumed by an electrochemical reaction in the electrode catalyst layer, Power generation is performed.

各流路溝32bに沿って流動する酸化剤ガスは、図2に示すように、出口バッファ部36で合流した後、酸化剤ガス出口連通孔20bに排出される。また、各流路溝44bに沿って流動する燃料ガスは、図1に示すように、出口バッファ部48で合流した後、排出孔部49bを通って燃料ガス出口連通孔24bに排出される。   As shown in FIG. 2, the oxidant gas flowing along each flow channel 32b joins at the outlet buffer 36 and is then discharged to the oxidant gas outlet communication hole 20b. Further, as shown in FIG. 1, the fuel gas flowing along each flow channel groove 44b joins at the outlet buffer portion 48, and then is discharged to the fuel gas outlet communication hole 24b through the discharge hole portion 49b.

また、冷却媒体は、冷却媒体入口連通孔22aから第1セパレータ16と第2セパレータ18との間に形成された入口バッファ部40に導入される。冷却媒体は、入口バッファ部40から冷却媒体流路38を構成する複数の流路溝38bに供給される。この冷却媒体は、各流路溝38bに沿って矢印B方向に移動し、電解質膜・電極構造体14の発電面を冷却した後、出口バッファ部42で合流して冷却媒体出口連通孔22bに排出される。   The cooling medium is introduced into the inlet buffer 40 formed between the first separator 16 and the second separator 18 from the cooling medium inlet communication hole 22a. The cooling medium is supplied from the inlet buffer unit 40 to a plurality of flow path grooves 38 b that constitute the cooling medium flow path 38. This cooling medium moves in the direction of arrow B along each flow path groove 38b, cools the power generation surface of the electrolyte membrane / electrode structure 14, and then merges at the outlet buffer section 42 to the cooling medium outlet communication hole 22b. Discharged.

この場合、特に燃料ガス流路44では、この燃料ガス流路44に供給された燃料ガスが、発電反応により消費されている。このため、燃料ガスは、入口流量Q1に対して出口流量Q2が減少し(Q1>Q2)、出口バッファ部48の流路抵抗が低下する。   In this case, particularly in the fuel gas passage 44, the fuel gas supplied to the fuel gas passage 44 is consumed by the power generation reaction. For this reason, the fuel gas has an outlet flow rate Q2 that decreases with respect to the inlet flow rate Q1 (Q1> Q2), and the flow path resistance of the outlet buffer 48 decreases.

そこで、燃料電池10では、入口バッファ部46の圧損が、出口バッファ部48の圧損よりも小さく設定されている。具体的には、図3に示すように、入口バッファ部46の深さH1は、出口バッファ部48の深さH2よりも大きく設定されている(H1>H2)。 Therefore, in the fuel cell 10 , the pressure loss of the inlet buffer unit 46 is set to be smaller than the pressure loss of the outlet buffer unit 48. Specifically, as shown in FIG. 3, the depth H1 of the inlet buffer section 46 is set to be greater than the depth H2 of the outlet buffer section 48 (H1> H2).

これにより、発電により燃料ガス流路44で燃料ガスが消費される際に、入口バッファ部46の圧損と出口バッファ部48の圧損とが同等になる。従って、燃料ガス流路44に燃料ガスを均等に分配することができ、簡単な構成で、所望の発電性能を良好に維持することが可能になるという効果が得られる。   Thereby, when fuel gas is consumed in the fuel gas flow path 44 by power generation, the pressure loss of the inlet buffer unit 46 and the pressure loss of the outlet buffer unit 48 become equal. Therefore, the fuel gas can be evenly distributed to the fuel gas flow path 44, and the desired power generation performance can be satisfactorily maintained with a simple configuration.

図4には、入口バッファ部及び出口バッファ部の圧損が同等である従来例と、燃料電池10とにおいて、流路溝44bの入口側から出口側までの燃料ガス流量(水素流量)の変化が示されている。これにより、従来例では、流路溝44bの出口側に行くのに従って燃料ガス流量が減少するのに対し、燃料電池10では、前記流路溝44b全域にわたって燃料ガス流量が均一化されている。 FIG. 4 shows the change in the fuel gas flow rate (hydrogen flow rate) from the inlet side to the outlet side of the channel groove 44b in the fuel cell 10 and the conventional example in which the pressure loss of the inlet buffer portion and the outlet buffer portion is the same. It is shown. Thereby, in the conventional example, the fuel gas flow rate decreases as it goes to the outlet side of the flow channel groove 44b, whereas in the fuel cell 10 , the fuel gas flow rate is made uniform over the entire flow channel groove 44b.

なお、酸化剤ガス流路32においても、必要に応じて、入口バッファ部34の圧損は、出口バッファ部36の圧損よりも小さく設定されている。このため、上記の燃料ガス流路44と同様の効果が得られる。   In the oxidant gas flow channel 32 as well, the pressure loss of the inlet buffer unit 34 is set to be smaller than the pressure loss of the outlet buffer unit 36 as necessary. For this reason, the effect similar to said fuel gas flow path 44 is acquired.

図5は、本発明に関連する燃料電池60の分解斜視説明図である。なお、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 Figure 5 is an exploded perspective view showing a fuel cell 60 that relate to the present invention. Note that the fuel cell 10 the same components as are designated by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted.

燃料電池60は、電解質膜・電極構造体14が、第1セパレータ16と第2セパレータ(アノード側セパレータ)62とに挟持される。第2セパレータ62は、燃料ガス流路44の入口側に連通する入口バッファ部66と、前記燃料ガス流路44の出口側に連通する出口バッファ部48とを設ける。   In the fuel cell 60, the electrolyte membrane / electrode structure 14 is sandwiched between a first separator 16 and a second separator (anode separator) 62. The second separator 62 includes an inlet buffer portion 66 that communicates with the inlet side of the fuel gas passage 44 and an outlet buffer portion 48 that communicates with the outlet side of the fuel gas passage 44.

入口バッファ部66は、図5及び図6に示すように、少なくとも一部に大きな深さH1を有する深溝領域66aを設ける。この深溝領域66aは、燃料ガス入口連通孔24aから離間するのに従って幅狭に、すなわち、略三角形状に構成される。入口バッファ部66の他の部分は、出口バッファ部48と同等の深さH2(H1>H2)に設定される。   As shown in FIGS. 5 and 6, the inlet buffer 66 is provided with a deep groove region 66a having a large depth H1 at least in part. The deep groove region 66a is configured to be narrower, that is, substantially triangular, as the distance from the fuel gas inlet communication hole 24a increases. The other part of the inlet buffer 66 is set to a depth H2 (H1> H2) equivalent to that of the outlet buffer 48.

このように構成される燃料電池60では、入口バッファ部66の少なくとも一部に深溝領域66aを設けることにより、前記入口バッファ部66の圧損は、出口バッファ部48の圧損よりも小さく設定されている。従って、発電により燃料ガス流路44で燃料ガスが消費される際に、入口バッファ部66の圧損と出口バッファ部48の圧損とが同等になり、上記の燃料電池10と同様の効果が得られる。 In the fuel cell 60 configured as described above, the deep buffer region 66 a is provided in at least a part of the inlet buffer 66, so that the pressure loss of the inlet buffer 66 is set smaller than the pressure loss of the outlet buffer 48. . Therefore, when fuel gas is consumed in the fuel gas flow path 44 by power generation, the pressure loss of the inlet buffer portion 66 and the pressure loss of the outlet buffer portion 48 become equal, and the same effect as the fuel cell 10 described above can be obtained. .

図7は、本発明に関連する燃料電池70の分解斜視説明図である。 Figure 7 is an exploded perspective view showing a fuel cell 70 that relate to the present invention.

燃料電池70は、電解質膜・電極構造体14が、第1セパレータ16と第2セパレータ(アノード側セパレータ)72とに挟持される。第2セパレータ72は、燃料ガス流路44の入口側に連通する入口バッファ部46と、前記燃料ガス流路44の出口側に連通する出口バッファ部74とを設ける。   In the fuel cell 70, the electrolyte membrane / electrode structure 14 is sandwiched between a first separator 16 and a second separator (anode separator) 72. The second separator 72 includes an inlet buffer portion 46 that communicates with the inlet side of the fuel gas passage 44 and an outlet buffer portion 74 that communicates with the outlet side of the fuel gas passage 44.

出口バッファ部74は、図7及び図8に示すように、少なくとも一部に小さな深さH2を有する浅溝領域74aを設ける。この浅溝領域74aは、燃料ガス出口連通孔24bから離間するのに従って幅狭に、すなわち、略三角形状に構成される。出口バッファ部74の他の部分は、入口バッファ部46と同等の深さH1(H1>H2)に設定される。   As shown in FIGS. 7 and 8, the outlet buffer unit 74 is provided with a shallow groove region 74a having a small depth H2 at least partially. The shallow groove region 74a is configured to be narrower, that is, substantially triangular, as the distance from the fuel gas outlet communication hole 24b increases. The other part of the outlet buffer part 74 is set to a depth H1 (H1> H2) equivalent to the inlet buffer part 46.

このように構成される燃料電池70では、出口バッファ部74の少なくとも一部に浅溝領域74aを設けることにより、入口バッファ部46の圧損は、前記出口バッファ部74の圧損よりも小さく設定されている。従って、発電により燃料ガス流路44で燃料ガスが消費される際に、入口バッファ部46の圧損と出口バッファ部74の圧損とが同等になるという効果が得られる。 In the fuel cell 70 configured as described above, by providing the shallow groove region 74 a in at least a part of the outlet buffer portion 74, the pressure loss of the inlet buffer portion 46 is set smaller than the pressure loss of the outlet buffer portion 74. Yes. Therefore, when the fuel gas is consumed by the fuel gas flow passage 44 by the power generation, the effect is obtained that the pressure loss of the pressure drop and the outlet buffer 74 of the inlet buffer 46 equally ing.

図9は、本発明の実施形態に係る燃料電池を構成する第2セパレータ(アノード側セパレータ)80の正面説明図である。 Figure 9 is a front view showing a second separator (anode side separator) 80 of a fuel cell according to the implementation embodiments of the present invention.

第2セパレータ80は、燃料ガス流路44の入口側に連通する入口バッファ部82と、前記燃料ガス流路44の出口側に連通する出口バッファ部84とを設ける。   The second separator 80 includes an inlet buffer portion 82 that communicates with the inlet side of the fuel gas passage 44 and an outlet buffer portion 84 that communicates with the outlet side of the fuel gas passage 44.

入口バッファ部82は、屈曲する線状及び略三角形状等の突起部82aを介して複数の溝部82bを有する。出口バッファ部84は、同様に屈曲する線状及び略三角形状等の突起部84aを介して複数の溝部84bを有する。溝部82bの溝部幅S1は、溝部84bの溝部幅S2よりも幅広(S1>S2)に設定することにより、入口バッファ部82の圧損は、出口バッファ部84の圧損よりも小さく設定される。   The inlet buffer portion 82 has a plurality of groove portions 82b through bent and linear projection portions 82a. The outlet buffer portion 84 has a plurality of groove portions 84b via linear and substantially triangular projection portions 84a that are similarly bent. By setting the groove part width S1 of the groove part 82b to be wider (S1> S2) than the groove part width S2 of the groove part 84b, the pressure loss of the inlet buffer part 82 is set smaller than the pressure loss of the outlet buffer part 84.

このように構成される実施形態では、入口バッファ部82の溝部82bが、出口バッファ部84の溝部84bよりも幅広に設定されることにより、前記入口バッファ部82の圧損は、前記出口バッファ部84の圧損よりも小さく設定されている。従って、発電により燃料ガス流路44で燃料ガスが消費される際に、入口バッファ部82の圧損と出口バッファ部84の圧損とが同等になるという効果が得られる。 In this embodiment configured as described above, the groove portion 82b of the inlet buffer portion 82 is set to be wider than the groove portion 84b of the outlet buffer portion 84, so that the pressure loss of the inlet buffer portion 82 is reduced by the outlet buffer portion. The pressure loss is set to be smaller than 84. Therefore, when the fuel gas is consumed by the fuel gas flow passage 44 by the power generation, the effect is obtained that the pressure loss of the pressure drop and the outlet buffer 84 of the inlet buffer 82 is equally ing.

10、60、70…燃料電池 14…電解質膜・電極構造体
16、18、62、72、80…セパレータ
20a…酸化剤ガス入口連通孔 20b…酸化剤ガス出口連通孔
22a…冷却媒体入口連通孔 22b…冷却媒体出口連通孔
24a…燃料ガス入口連通孔 24b…燃料ガス出口連通孔
26…固体高分子電解質膜 28…カソード側電極
30…アノード側電極 32…酸化剤ガス流路
32a、38a、44a…直線状突起部
32b、38b、44b…直線状流路溝
34、40、46、66、82…入口バッファ部
36、42、48、74、84…出口バッファ部
66a…深溝領域 74a…浅溝領域
82b、84b…溝部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10, 60, 70 ... Fuel cell 14 ... Electrolyte membrane electrode assembly 16, 18, 62, 72, 80 ... Separator 20a ... Oxidant gas inlet communication hole 20b ... Oxidant gas outlet communication hole 22a ... Cooling medium inlet communication hole 22b ... Cooling medium outlet communication hole 24a ... Fuel gas inlet communication hole 24b ... Fuel gas outlet communication hole 26 ... Solid polymer electrolyte membrane 28 ... Cathode side electrode 30 ... Anode side electrode 32 ... Oxidant gas flow path 32a, 38a, 44a ... Linear protrusions 32b, 38b, 44b ... Linear flow channel 34, 40, 46, 66, 82 ... Inlet buffer part 36, 42, 48, 74, 84 ... Outlet buffer part
66a ... deep groove region 74a ... shallow groove region 82b, 84b ... groove portion

Claims (1)

電解質膜の両側に一対の電極を設けた電解質膜・電極構造体とセパレータとが積層され、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、前記反応ガス流路の入口側に連通する入口バッファ部と、前記反応ガス流路の出口側に連通する出口バッファ部とが設けられる燃料電池であって、
前記反応ガス流路は、複数の直線状突起部間に形成される複数の直線状流路溝を有し、
前記入口バッファ部及び前記出口バッファ部は、突起部を介して複数の溝部を有するとともに、
前記入口バッファ部及び前記出口バッファ部の前記突起部の一部は、前記反応ガス流路の前記直線状突起部の一部に連続して設けられ、
前記入口バッファ部の溝部幅は、前記出口バッファ部の溝部幅よりも幅広に設定されることを特徴とする燃料電池。
An electrolyte membrane / electrode structure provided with a pair of electrodes on both sides of the electrolyte membrane and a separator are stacked to form a reaction gas channel for supplying a reaction gas along the electrode surface. A fuel cell provided with an inlet buffer portion communicating with an inlet side and an outlet buffer portion communicating with an outlet side of the reaction gas flow path,
The reaction gas channel has a plurality of linear channel grooves formed between a plurality of linear protrusions,
The inlet buffer portion and the outlet buffer portion have a plurality of grooves via protrusions ,
A part of the protrusions of the inlet buffer part and the outlet buffer part is provided continuously with a part of the linear protrusion part of the reaction gas flow path,
The fuel cell according to claim 1, wherein the groove width of the inlet buffer portion is set wider than the groove width of the outlet buffer portion.
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