JP5591392B2 - Fuel cell electrolyte / electrode structure and fuel cell - Google Patents

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Description

本発明は、電解質の両側に一対の電極を配設する燃料電池用電解質・電極構造体、及び前記電解質・電極構造体を、一対のセパレータで挟持する燃料電池に関する。   The present invention relates to an electrolyte / electrode structure for a fuel cell in which a pair of electrodes are disposed on both sides of an electrolyte, and a fuel cell in which the electrolyte / electrode structure is sandwiched between a pair of separators.

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固体高分子電解質膜(電解質)を採用している。この燃料電池では、固体高分子電解質膜の両側に、それぞれ電極触媒層と多孔質カーボンからなる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(電解質・電極構造体)を、セパレータ(バイポーラ板)によって挟持することにより単位セルが構成されている。通常、この単位セルを所定数だけ積層した燃料電池スタックが、例えば、車載用として使用されている。   For example, a solid polymer fuel cell employs a solid polymer electrolyte membrane (electrolyte) made of a polymer ion exchange membrane. In this fuel cell, an electrolyte membrane / electrode structure (electrolyte / electrode structure) in which an anode catalyst electrode and a cathode electrode made of porous carbon are disposed on both sides of a solid polymer electrolyte membrane, respectively. A unit cell is configured by being sandwiched by a separator (bipolar plate). Usually, a fuel cell stack in which a predetermined number of unit cells are stacked is used for in-vehicle use, for example.

一般的に、電解質膜・電極構造体では、固体高分子電解質膜がアノード側電極及びカソード側電極よりも大きな表面積を有しており、前記固体高分子電解質膜の外周部が外方に突出している。しかしながら、固体高分子電解質膜の外周部は、機械的強度が弱く、前記外周部が破損し易いという問題がある。   Generally, in the electrolyte membrane / electrode structure, the solid polymer electrolyte membrane has a larger surface area than the anode side electrode and the cathode side electrode, and the outer periphery of the solid polymer electrolyte membrane protrudes outward. Yes. However, the outer peripheral portion of the solid polymer electrolyte membrane has a problem that the mechanical strength is weak and the outer peripheral portion is easily damaged.

そこで、例えば、特許文献1に開示されている固体高分子電解質膜型燃料電池が知られている。この燃料電池は、図16に示すように、固体高分子電解質膜1の両主面にアノード2a及びカソード2bが積層される電解質膜・電極構造体3を備えている。この電解質膜・電極構造体3は、反応ガス供給板4a、4bに挟持されている。   Thus, for example, a solid polymer electrolyte membrane fuel cell disclosed in Patent Document 1 is known. As shown in FIG. 16, this fuel cell includes an electrolyte membrane / electrode structure 3 in which an anode 2 a and a cathode 2 b are laminated on both main surfaces of a solid polymer electrolyte membrane 1. The electrolyte membrane / electrode structure 3 is sandwiched between reaction gas supply plates 4a and 4b.

反応ガス供給板4aには、アノード2aに燃料ガスを供給するための燃料ガス流路5aが設けられる一方、反応ガス供給板4bには、カソード2bに酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス流路5bが設けられている。   The reaction gas supply plate 4a is provided with a fuel gas flow path 5a for supplying fuel gas to the anode 2a, while the reaction gas supply plate 4b is provided with an oxidant gas for supplying an oxidant gas to the cathode 2b. A flow path 5b is provided.

電解質膜・電極構造体3と反応ガス供給板4a、4bとの間には、ガスシール部6a、6bが配置されるとともに、前記ガスシール部6a、6bと固体高分子電解質膜1との間には、補強膜7a、7bが介装されている。   Gas seal portions 6a and 6b are disposed between the electrolyte membrane / electrode structure 3 and the reaction gas supply plates 4a and 4b, and between the gas seal portions 6a and 6b and the solid polymer electrolyte membrane 1. Reinforcing films 7a and 7b are interposed between the two.

特開平5−242897号公報JP-A-5-2442897

ところで、上記の燃料電池を複数積層して燃料電池スタックを構成する場合、反応ガス供給板4a、4bの外周縁部に、積層方向に貫通する反応ガス連通孔(図示せず)が形成されている。そして、燃料ガス用反応ガス連通孔は、燃料ガス流路5aに連通し、前記燃料ガス流路5aに燃料ガスを供給する一方、酸化剤ガス用反応ガス連通孔は、酸化剤ガス流路5bに連通し、前記酸化剤ガス流路5bに酸化剤ガスを供給している。所謂、内部マニホールド構造である。   By the way, when a fuel cell stack is configured by stacking a plurality of the above fuel cells, reaction gas communication holes (not shown) penetrating in the stacking direction are formed in the outer peripheral edge portions of the reaction gas supply plates 4a and 4b. Yes. The fuel gas reactive gas communication hole communicates with the fuel gas flow channel 5a and supplies fuel gas to the fuel gas flow channel 5a, while the oxidant gas reactive gas communication hole communicates with the oxidant gas flow channel 5b. The oxidant gas is supplied to the oxidant gas flow path 5b. This is a so-called internal manifold structure.

その際、燃料ガス用反応ガス連通孔と燃料ガス流路5aとの間、及び酸化剤ガス用反応ガス連通孔と酸化剤ガス流路5bとの間には、燃料ガス及び酸化剤ガスを発電面に対して円滑に分配供給するために、バッファ部を設ける必要がある。   At that time, the fuel gas and the oxidant gas are generated between the reaction gas communication hole for the fuel gas and the fuel gas flow path 5a and between the reaction gas communication hole for the oxidant gas and the oxidant gas flow path 5b. In order to smoothly distribute and supply the surface, it is necessary to provide a buffer unit.

しかしながら、上記の燃料電池では、固体高分子電解質膜1の外周部に補強膜7a、7bを介装してガスシール部6a、6bが配設されており、バッファ部の流路断面が相当に狭くなってしまう。これにより、反応ガスの集中による圧力損失が増大し、発電面に前記反応ガスを十分な量だけ均一に分配することができないという問題がある。   However, in the above fuel cell, the gas seal portions 6a and 6b are disposed on the outer periphery of the solid polymer electrolyte membrane 1 with the reinforcing membranes 7a and 7b interposed therebetween, and the flow path cross section of the buffer portion is considerably It becomes narrower. As a result, the pressure loss due to the concentration of the reaction gas increases, and there is a problem that the reaction gas cannot be uniformly distributed in a sufficient amount on the power generation surface.

本発明はこの種の問題を解決するものであり、電解質を補強するとともに、コンパクトな構成で、発電面に十分な反応ガスを分配供給することが可能な燃料電池用電解質・電極構造体及び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 an electrolyte / electrode structure for a fuel cell and a fuel that can reinforce the electrolyte and distribute and supply sufficient reaction gas to the power generation surface with a compact configuration. An object is to provide a battery.

本発明は、電解質である固体高分子電解質膜の両側に一対の電極を配設するとともに、前記固体高分子電解質は、前記電極よりも大きな表面積を有し、前記電極から外方に突出する外周部の少なくとも一方の面側に額縁状補強部が設けられる燃料電池用電解質・電極構造体に関するものである。 The present invention is to provided a pair of electrodes on both sides of the solid polymer electrolyte membrane is an electrolyte, the solid polymer electrolyte membrane has a larger surface area than the electrodes, projecting outwardly from the electrode The present invention relates to an electrolyte / electrode structure for a fuel cell in which a frame-shaped reinforcing portion is provided on at least one surface side of the outer peripheral portion.

この電解質・電極構造体では、額縁状補強部に、燃料ガス又は酸化剤ガスである反応ガスを該額縁状補強部の平面に沿って流すための反応ガス通路が形成されている。 In this electrolyte / electrode structure, a reaction gas passage is formed in the frame-shaped reinforcing portion for allowing a reaction gas, which is a fuel gas or an oxidant gas, to flow along the plane of the frame-shaped reinforcing portion.

また、反応ガス通路は、額縁状補強部に、通路形状を有する枠部材を接合することにより形成されることが好ましい。   The reactive gas passage is preferably formed by joining a frame member having a passage shape to the frame-shaped reinforcing portion.

さらに、本発明は、電解質である固体高分子電解質膜の両側に一対の電極を配設した電解質・電極構造体を、一対のセパレータで挟持するとともに、前記固体高分子電解質は、前記電極よりも大きな表面積を有し、前記電極から外方に突出する外周部の少なくとも一方の面側に額縁状補強部が設けられる燃料電池に関するものである。 Furthermore, the present invention provides an electrolyte electrode assembly which is disposed a pair of electrodes on both sides of the solid polymer electrolyte membrane is an electrolyte, as well as sandwiched between a pair of separators, the solid polymer electrolyte membrane, from the electrode Further, the present invention relates to a fuel cell having a large surface area and having a frame-shaped reinforcing portion provided on at least one surface side of an outer peripheral portion protruding outward from the electrode.

そして、電解質・電極構造体と一方のセパレータとの間には、燃料ガス又は酸化剤ガスである反応ガスを一方の電極に沿って流すための反応ガス流路と、少なくとも前記反応ガスを一方の前記電極の外方と前記反応ガス流路との間に流通させるバッファ部とが設けられるとともに、額縁状補強部には、前記バッファ部に相当する部位に該額縁状補強部の平面に沿って前記反応ガスを流すための反応ガス通路が形成されている。 Between the electrolyte / electrode structure and one separator, a reaction gas flow path for flowing a reaction gas, which is a fuel gas or an oxidant gas, along one electrode, and at least the reaction gas is supplied to one of the separators. A buffer portion that is circulated between the outside of the electrode and the reaction gas flow path is provided, and the frame-shaped reinforcing portion is disposed along a plane of the frame-shaped reinforcing portion at a portion corresponding to the buffer portion. A reaction gas passage for flowing the reaction gas is formed.

さらにまた、一方のセパレータには、バッファ部に相当する部位に反応ガス通路に対向して反応ガス流路部が形成されることが好ましい。   Furthermore, it is preferable that a reaction gas channel portion is formed in one separator in a portion corresponding to the buffer portion so as to face the reaction gas passage.

また、反応ガス流路部は、バッファ部の反応ガス通路と同一形状に形成されることが好ましい。   Moreover, it is preferable that the reaction gas flow path part is formed in the same shape as the reaction gas channel of the buffer part.

本発明に係る電解質・電極構造体では、電解質の外周部の少なくとも一方の面側に額縁状補強部に設けられるため、前記電解質を良好に補強することができる。しかも、額縁状補強部には、反応ガス通路が形成されるため、電解質・電極構造体自体の厚さが大きくなることがなく、反応ガス通路の通路高さを確保することが可能になる。   In the electrolyte / electrode structure according to the present invention, since the frame-shaped reinforcing portion is provided on at least one surface side of the outer peripheral portion of the electrolyte, the electrolyte can be reinforced. Moreover, since the reaction gas passage is formed in the frame-shaped reinforcing portion, the thickness of the electrolyte / electrode structure itself does not increase, and the passage height of the reaction gas passage can be secured.

従って、燃料電池全体の小型化が遂行され、反応ガス通路での圧力損失を低下させるとともに、排水性の向上を図ることができる。さらに、電極に対して反応ガスを均一に分配することが可能になり、発電性能の向上が容易に図られる。   Therefore, the fuel cell as a whole can be downsized, pressure loss in the reaction gas passage can be reduced, and drainage performance can be improved. Furthermore, the reaction gas can be uniformly distributed to the electrodes, and the power generation performance can be easily improved.

また、本発明に係る燃料電池では、額縁状補強部には、バッファ部に相当する部位に反応ガスを流すための反応ガス通路が形成されている。このため、電極反応面を流通する反応ガスが集合するバッファ部には、十分な通路断面積を確保することができ、前記バッファ部から反応ガス流路に、又は前記反応ガス流路から前記バッファ部に、反応ガスを円滑且つ確実に分配供給することが可能になる。   In the fuel cell according to the present invention, the frame-shaped reinforcing portion is formed with a reaction gas passage for flowing the reaction gas to a portion corresponding to the buffer portion. For this reason, a sufficient cross-sectional area can be secured in the buffer part where the reaction gas flowing through the electrode reaction surface gathers, and the buffer part can be secured to the reaction gas flow path or from the reaction gas flow path to the buffer. It becomes possible to smoothly and reliably distribute and supply the reaction gas to the section.

本発明の第1の実施形態に係る燃料電池の分解斜視説明図である。1 is an exploded perspective view of a fuel cell according to a first embodiment of the present invention. 複数の単位セルが積層された前記燃料電池の断面説明図である。FIG. 4 is a cross-sectional explanatory view of the fuel cell in which a plurality of unit cells are stacked. 前記単位セルを構成する電解質・電極構造体の正面説明図である。It is front explanatory drawing of the electrolyte and electrode structure which comprises the said unit cell. 前記単位セルを構成する第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 unit cell. 前記単位セルを構成する第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 unit cell. 本発明の第2の実施形態に係る燃料電池の断面説明図である。It is a cross-sectional explanatory view of a fuel cell according to a second embodiment of the present invention. 本発明の第3の実施形態に係る燃料電池の断面説明図である。It is a section explanatory view of a fuel cell concerning a 3rd embodiment of the present invention. 本発明の第4の実施形態に係る燃料電池の分解斜視説明図である。It is a disassembled perspective explanatory drawing of the fuel cell which concerns on the 4th Embodiment of this invention. 複数の単位セルが積層された前記燃料電池の断面説明図である。FIG. 4 is a cross-sectional explanatory view of the fuel cell in which a plurality of unit cells are stacked. 前記単位セルを構成する第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 unit cell. 前記単位セルを構成する第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 unit cell. 前記単位セルを構成する電解質・電極構造体の正面説明図である。It is front explanatory drawing of the electrolyte and electrode structure which comprises the said unit cell. 本発明の第5の実施形態に係る燃料電池の分解斜視説明図である。It is a disassembled perspective explanatory drawing of the fuel cell which concerns on the 5th Embodiment of this invention. 複数の単位セルが積層された前記燃料電池の断面説明図である。FIG. 4 is a cross-sectional explanatory view of the fuel cell in which a plurality of unit cells are stacked. 前記単位セルを構成する第2カーボンセパレータの正面説明図である。It is front explanatory drawing of the 2nd carbon separator which comprises the said unit cell. 特許文献1に開示される固体高分子電解質膜型燃料電池の断面説明図である。1 is a cross-sectional explanatory view of a solid polymer electrolyte membrane fuel cell disclosed in Patent Document 1. FIG.

図1は、本発明の第1の実施形態に係る燃料電池10の分解斜視説明図であり、図2は、複数の単位セル12を矢印A方向に積層してスタック化された前記燃料電池10の断面説明図である。   FIG. 1 is an exploded perspective view of a fuel cell 10 according to a first embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a diagram illustrating the fuel cell 10 in which a plurality of unit cells 12 are stacked in the direction of arrow A and stacked. FIG.

単位セル12は、第1の実施形態に係る電解質膜・電極構造体(電解質・電極構造体)14が、第1金属セパレータ16と第2金属セパレータ18とに挟持される。第1及び第2金属セパレータ16、18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金属板をプレス成形して構成される。   In the unit cell 12, the electrolyte membrane / electrode structure (electrolyte / electrode structure) 14 according to the first embodiment is sandwiched between a first metal separator 16 and a second metal separator 18. The first and second metal separators 16 and 18 are configured, for example, by pressing a steel plate, a stainless steel plate, an aluminum plate, a plated steel plate, or a metal plate having a metal surface subjected to anticorrosion surface treatment.

単位セル12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、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、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。   One end edge of the unit cell 12 in the direction of arrow B (horizontal direction in FIG. 1) communicates with each other in the direction of arrow A, which is the stacking direction, and oxidant for supplying an oxidant gas, for example, an oxygen-containing gas An agent gas inlet communication hole 20a, 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, for example, a hydrogen-containing gas, are provided in an arrow C direction (vertical direction). Are provided in an array.

単位セル12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 unit cell 12 in the direction of the arrow B communicates with each other in the direction of the arrow A, the fuel gas inlet communication hole 24a for supplying the 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。固体高分子電解質膜26は、カソード側電極28及びアノード側電極30よりも大きな表面積に設定される。   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 solid polymer electrolyte membrane 26 is set to have a larger surface area than the cathode side electrode 28 and the anode side electrode 30.

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.

固体高分子電解質膜26の外周端縁部両面には、樹脂製の額縁状補強部(補強膜)32が、例えば、射出成形により一体成形され、又は、樹脂製シートが接着剤により一体化される。樹脂材としては、汎用プラスチックの他、エンジニアリングプラスチックやスーパーエンジニアリングプラスチック(例えば、PI、PPS)等が採用される。補強部32は、カソード側電極28及びアノード側電極30よりも薄膜状に構成される(図2参照)。なお、補強部32は、固体高分子電解質膜26の一方の面にのみ設けてもよい。   On both sides of the outer peripheral edge of the solid polymer electrolyte membrane 26, a resin frame-like reinforcing portion (reinforcing membrane) 32 is integrally formed by, for example, injection molding, or a resin sheet is integrated by an adhesive. The As the resin material, engineering plastics, super engineering plastics (for example, PI, PPS), etc. are adopted in addition to general-purpose plastics. The reinforcing portion 32 is configured in a thin film shape than the cathode side electrode 28 and the anode side electrode 30 (see FIG. 2). The reinforcing part 32 may be provided only on one surface of the solid polymer electrolyte membrane 26.

補強部32の第1金属セパレータ16側の面には、図2及び図3に示すように、後述する酸化剤ガス入口バッファ部44aに相当する部位に、酸化剤ガスを流すための酸化剤ガス入口通路34aと、後述する酸化剤ガス出口バッファ部44bに相当する部位に、前記酸化剤ガスを流すための酸化剤ガス出口通路34bとが形成される。   As shown in FIGS. 2 and 3, on the surface of the reinforcing portion 32 on the first metal separator 16 side, an oxidant gas for flowing an oxidant gas through a portion corresponding to an oxidant gas inlet buffer 44 a described later. An inlet passage 34a and an oxidant gas outlet passage 34b for flowing the oxidant gas are formed in a portion corresponding to an oxidant gas outlet buffer portion 44b described later.

補強部32の第2金属セパレータ18側の面には、図1及び図2に示すように、後述する燃料ガス入口バッファ部50aに相当する部位に、燃料ガスを流すための燃料ガス入口通路36aと、後述する燃料ガス出口バッファ部50bに相当する部位に、前記燃料ガスを流すための燃料ガス出口通路36bとが形成される。   As shown in FIGS. 1 and 2, a fuel gas inlet passage 36a for flowing fuel gas through a portion corresponding to a fuel gas inlet buffer 50a described later is provided on the surface of the reinforcing portion 32 on the second metal separator 18 side. In addition, a fuel gas outlet passage 36b for flowing the fuel gas is formed in a portion corresponding to a fuel gas outlet buffer 50b described later.

酸化剤ガス入口通路34a及び酸化剤ガス出口通路34bは、所望の通路形状を有して補強部32に接合される枠部材38a、38bにより形成される。枠部材38a、38bは、例えば、補強部32と同一材料で構成されており、予め、接着剤が塗布された状態で熱プレスを介して前記補強部32に固着される。   The oxidant gas inlet passage 34a and the oxidant gas outlet passage 34b are formed by frame members 38a and 38b having a desired passage shape and joined to the reinforcing portion 32. The frame members 38a and 38b are made of, for example, the same material as that of the reinforcing portion 32, and are fixed to the reinforcing portion 32 through a hot press in a state where an adhesive is applied in advance.

燃料ガス入口通路36a及び燃料ガス出口通路36bは、同様に、所望の通路形状を有して補強部32に接合される枠部材40a、40bにより形成される。枠部材40a、40bは、補強部32と同一材料で構成され、予め、接着剤が塗布された状態で熱プレスによって前記補強部32に固着される。枠部材38a、40b間(枠部材38b、40a間)の厚さt1は、電解質膜・電極構造体14の厚さt2と同一の寸法に設定される(t1=t2)。このため、電解質膜・電極構造体14の取り扱い性が向上するとともに、第1及び第2金属セパレータ16、18のプレス成形が容易に行われる。   Similarly, the fuel gas inlet passage 36 a and the fuel gas outlet passage 36 b are formed by frame members 40 a and 40 b having a desired passage shape and joined to the reinforcing portion 32. The frame members 40a and 40b are made of the same material as that of the reinforcing portion 32, and are fixed to the reinforcing portion 32 by hot pressing in a state where an adhesive is applied in advance. The thickness t1 between the frame members 38a and 40b (between the frame members 38b and 40a) is set to the same dimension as the thickness t2 of the electrolyte membrane / electrode structure 14 (t1 = t2). For this reason, the handleability of the electrolyte membrane / electrode structure 14 is improved, and the first and second metal separators 16 and 18 are easily pressed.

第1金属セパレータ16の電解質膜・電極構造体14に向かう面16aには、前記第1金属セパレータ16を波形状(凹凸形状)に成形することにより、複数の酸化剤ガス流路溝42が設けられる。酸化剤ガス流路溝42は、カソード側電極28の発電面に沿って矢印B方向に互いに平行に延在するとともに、前記酸化剤ガス流路溝42の両端には、酸化剤ガス入口流路部42a及び酸化剤ガス出口流路部42bが連通する。   The surface 16a of the first metal separator 16 facing the electrolyte membrane / electrode structure 14 is provided with a plurality of oxidant gas flow channel grooves 42 by forming the first metal separator 16 into a wave shape (uneven shape). It is done. The oxidant gas flow channel grooves 42 extend in parallel with each other in the direction of arrow B along the power generation surface of the cathode side electrode 28, and the oxidant gas flow channel 42 is disposed at both ends of the oxidant gas flow channel grooves 42. The part 42a and the oxidant gas outlet channel part 42b communicate with each other.

電解質膜・電極構造体14と第1金属セパレータ16との間には、酸化剤ガス入口通路34aと酸化剤ガス入口流路部42aとにより酸化剤ガス入口バッファ部44aが構成されるとともに、酸化剤ガス出口通路34bと酸化剤ガス出口流路部42bとにより酸化剤ガス出口バッファ部44bが構成される。   Between the electrolyte membrane / electrode structure 14 and the first metal separator 16, an oxidant gas inlet passage 34 a and an oxidant gas inlet flow path part 42 a constitute an oxidant gas inlet buffer part 44 a, and an oxidation gas The oxidant gas outlet passage 34b and the oxidant gas outlet flow path part 42b constitute an oxidant gas outlet buffer part 44b.

酸化剤ガス入口バッファ部44aは、酸化剤ガス入口連通孔20aから発電面内の酸化剤ガス流路溝42に酸化剤ガスを供給する一方、酸化剤ガス出口バッファ部44bは、前記酸化剤ガス流路溝42から酸化剤ガス出口連通孔20bに使用済みの酸化剤ガスを排出する。   The oxidant gas inlet buffer unit 44a supplies the oxidant gas from the oxidant gas inlet communication hole 20a to the oxidant gas flow channel groove 42 in the power generation surface, while the oxidant gas outlet buffer unit 44b includes the oxidant gas. Used oxidant gas is discharged from the channel groove 42 to the oxidant gas outlet communication hole 20b.

図4に示すように、第1金属セパレータ16の面16bには、酸化剤ガス流路溝42の裏面形状により複数の冷却媒体流路溝46が形成される。冷却媒体流路溝46の両端には、酸化剤ガス入口流路部42aの裏面形状である冷却媒体入口流路部46aと、酸化剤ガス出口流路部42bの裏面形状である冷却媒体出口流路部46bとが連通する。   As shown in FIG. 4, a plurality of cooling medium flow channel grooves 46 are formed on the surface 16 b of the first metal separator 16 due to the back surface shape of the oxidant gas flow channel groove 42. At both ends of the cooling medium flow channel 46, a cooling medium inlet flow channel 46a that is the back surface shape of the oxidant gas inlet flow channel portion 42a and a cooling medium outlet flow that is the back surface shape of the oxidant gas outlet flow channel portion 42b. The road part 46b communicates.

図5に示すように、第2金属セパレータ18の電解質膜・電極構造体14に向かう面18aには、前記第2金属セパレータ18を波形状(凹凸形状)に成形することにより、複数の燃料ガス流路溝48が設けられる。燃料ガス流路溝48は、アノード側電極30の発電面に沿って矢印B方向に互いに平行に延在するとともに、前記燃料ガス流路溝48の両端には、燃料ガス入口流路部48a及び燃料ガス出口流路部48bが連通する。   As shown in FIG. 5, a plurality of fuel gases are formed on the surface 18a of the second metal separator 18 facing the electrolyte membrane / electrode structure 14 by forming the second metal separator 18 into a wave shape (uneven shape). A channel groove 48 is provided. The fuel gas channel grooves 48 extend parallel to each other in the direction of arrow B along the power generation surface of the anode side electrode 30, and fuel gas inlet channels 48 a and The fuel gas outlet channel portion 48b communicates.

電解質膜・電極構造体14と第2金属セパレータ18との間には、燃料ガス入口連通孔24aから発電面内の燃料ガス流路溝48に燃料ガスを供給する燃料ガス入口バッファ部50aと、前記燃料ガス流路溝48から燃料ガス出口連通孔24bに使用済みの燃料ガスを排出する燃料ガス出口バッファ部50bとが設けられる。   Between the electrolyte membrane / electrode structure 14 and the second metal separator 18, a fuel gas inlet buffer 50 a for supplying fuel gas from the fuel gas inlet communication hole 24 a to the fuel gas flow channel groove 48 in the power generation surface; A fuel gas outlet buffer portion 50b for discharging used fuel gas from the fuel gas flow channel 48 to the fuel gas outlet communication hole 24b is provided.

燃料ガス入口バッファ部50aは、燃料ガス入口通路36aと燃料ガス入口流路部48aとにより構成される一方、燃料ガス出口バッファ部50bは、燃料ガス出口通路36bと燃料ガス出口流路部48bとにより構成される。   The fuel gas inlet buffer 50a is constituted by a fuel gas inlet passage 36a and a fuel gas inlet passage 48a, while the fuel gas outlet buffer 50b is composed of a fuel gas outlet passage 36b and a fuel gas outlet passage 48b. Consists of.

図1に示すように、第2金属セパレータ18の面18bには、燃料ガス流路溝48の裏面形状により複数の冷却媒体流路溝46が形成される。冷却媒体流路溝46の両端には、燃料ガス出口流路部48bの裏面形状である冷却媒体入口流路部46aと、燃料ガス入口流路部48aの裏面形状である冷却媒体出口流路部46bとが連通する。   As shown in FIG. 1, a plurality of cooling medium flow channel grooves 46 are formed on the surface 18 b of the second metal separator 18 due to the back surface shape of the fuel gas flow channel groove 48. At both ends of the cooling medium channel groove 46, a cooling medium inlet channel portion 46a that is the back surface shape of the fuel gas outlet channel portion 48b and a cooling medium outlet channel portion that is the back surface shape of the fuel gas inlet channel portion 48a. 46b communicates.

図1、図2及び図4に示すように、第1金属セパレータ16の面16a、16bの外周縁部には、第1シール部材52が設けられる。図1、図2及び図5に示すように、第2金属セパレータ18の面18a、18bの外周縁部には、第2シール部材54が設けられる。   As shown in FIGS. 1, 2, and 4, a first seal member 52 is provided on the outer peripheral edge portions of the surfaces 16 a and 16 b of the first metal separator 16. As shown in FIGS. 1, 2, and 5, a second seal member 54 is provided on the outer peripheral edge portions of the surfaces 18 a and 18 b of the second metal 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、酸化剤ガス入口連通孔20aから第1金属セパレータ16の酸化剤ガス入口バッファ部44aを通って酸化剤ガス流路溝42に導入される。酸化剤ガスは、複数の酸化剤ガス流路溝42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 from the oxidant gas inlet communication hole 20a through the oxidant gas inlet buffer 44a of the first metal separator 16 into the oxidant gas flow channel 42. The oxidant gas moves in the direction of arrow B along the plurality of oxidant gas flow channel grooves 42 and is supplied to the cathode side electrode 28 of the electrolyte membrane / electrode structure 14.

一方、燃料ガスは、図5に示すように、燃料ガス入口連通孔24aから第2金属セパレータ18の燃料ガス入口バッファ部50aを通って燃料ガス流路溝48に導入される。燃料ガスは、複数の燃料ガス流路溝48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. 5, the fuel gas is introduced from the fuel gas inlet communication hole 24 a through the fuel gas inlet buffer 50 a of the second metal separator 18 into the fuel gas flow channel groove 48. The fuel gas moves in the direction of arrow B along the plurality of fuel gas flow channel grooves 48 and is supplied to the anode side 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.

使用済みの酸化剤ガスは、酸化剤ガス出口バッファ部44bを通って酸化剤ガス出口連通孔20bに排出される。一方、使用済みの燃料ガスは、燃料ガス出口バッファ部50bを通って燃料ガス出口連通孔24bに排出される。   The used oxidant gas passes through the oxidant gas outlet buffer 44b and is discharged to the oxidant gas outlet communication hole 20b. On the other hand, the spent fuel gas is discharged to the fuel gas outlet communication hole 24b through the fuel gas outlet buffer 50b.

また、冷却媒体は、冷却媒体入口連通孔22aから第1金属セパレータ16と第2金属セパレータ18との間に形成された冷却媒体流路溝46に供給される。冷却媒体は、電解質膜・電極構造体14の発電面を冷却した後、冷却媒体出口連通孔22bに排出される。   Further, the cooling medium is supplied from the cooling medium inlet communication hole 22 a to the cooling medium flow channel 46 formed between the first metal separator 16 and the second metal separator 18. The cooling medium cools the power generation surface of the electrolyte membrane / electrode structure 14 and then is discharged to the cooling medium outlet communication hole 22b.

この場合、第1の実施形態では、電解質膜・電極構造体14を構成する固体高分子電解質膜26は、カソード側電極28及びアノード側電極30の外方に突出する外周端縁部両面に補強部32が設けられており、前記固体高分子電解質膜26を良好に補強することができる。   In this case, in the first embodiment, the solid polymer electrolyte membrane 26 constituting the electrolyte membrane / electrode structure 14 is reinforced on both sides of the outer peripheral edge portion protruding outward of the cathode side electrode 28 and the anode side electrode 30. The portion 32 is provided, and the solid polymer electrolyte membrane 26 can be reinforced well.

しかも、補強部32には、図2及び図3に示すように、第1金属セパレータ16に対向する面に、枠部材38a、38bを介して酸化剤ガス入口通路34a及び酸化剤ガス出口通路34bが形成されている。従って、電解質膜・電極構造体14は、厚さ方向の寸法が大きくなることがなく、酸化剤ガス入口通路34a及び酸化剤ガス出口通路34bの通路高さ(溝深さ)を確保することが可能になる。   In addition, as shown in FIGS. 2 and 3, the reinforcing portion 32 has an oxidant gas inlet passage 34a and an oxidant gas outlet passage 34b on the surface facing the first metal separator 16 via frame members 38a and 38b. Is formed. Therefore, the electrolyte membrane / electrode structure 14 does not have a large dimension in the thickness direction, and can secure the passage height (groove depth) of the oxidant gas inlet passage 34a and the oxidant gas outlet passage 34b. It becomes possible.

その際、第1金属セパレータ16には、酸化剤ガス入口通路34aと同一形状の酸化剤ガス入口流路部42aと、酸化剤ガス出口通路34bと同一形状の酸化剤ガス出口流路部42bとが形成されている。   At that time, the first metal separator 16 includes an oxidant gas inlet channel 42a having the same shape as the oxidant gas inlet channel 34a, and an oxidant gas outlet channel 42b having the same shape as the oxidant gas outlet channel 34b. Is formed.

これにより、酸化剤ガス入口通路34aと酸化剤ガス入口流路部42aとからなる酸化剤ガス入口バッファ部44a、及び酸化剤ガス出口通路34bと酸化剤ガス出口流路部42bとからなる酸化剤ガス出口バッファ部44bは、それぞれの流路高さを大きく設定することが可能になる。このため、単位セル12の積層方向の寸法が大きくなることがなく、燃料電池10全体の小型化が遂行されるとともに、酸化剤ガス入口バッファ部44a及び酸化剤ガス出口バッファ部44bにおける圧力損失を有効に低下させることができる。   As a result, an oxidant gas inlet buffer portion 44a comprising the oxidant gas inlet passage 34a and the oxidant gas inlet passage portion 42a, and an oxidant comprising the oxidant gas outlet passage 34b and the oxidant gas outlet passage portion 42b. The gas outlet buffer 44b can set the flow path height to be large. Therefore, the size of the unit cells 12 in the stacking direction is not increased, the fuel cell 10 is reduced in size, and the pressure loss in the oxidant gas inlet buffer unit 44a and the oxidant gas outlet buffer unit 44b is reduced. It can be effectively reduced.

さらに、酸化剤ガス入口バッファ部44a及び酸化剤ガス出口バッファ部44bにおける排水性の向上を図ることが可能になるとともに、カソード側電極28に対して酸化剤ガスを均一に分配することができ、発電性能の向上が容易に図られるという効果がある。   Furthermore, it is possible to improve drainage in the oxidant gas inlet buffer 44a and the oxidant gas outlet buffer 44b, and the oxidant gas can be uniformly distributed to the cathode side electrode 28. There is an effect that the power generation performance can be easily improved.

同様に、補強部32には、枠部材40a、40bが固着されて燃料ガス入口通路36a及び燃料ガス出口通路36bが形成されている(図1及び図2参照)。そして、第2金属セパレータ18には、燃料ガス入口通路36aに対向して燃料ガス入口流路部48aが形成されるとともに、燃料ガス出口通路36bに対向して燃料ガス出口流路部48bが形成され、それぞれ燃料ガス入口バッファ部50aと燃料ガス出口バッファ部50bとを構成している。   Similarly, frame members 40a and 40b are fixed to the reinforcing portion 32 to form a fuel gas inlet passage 36a and a fuel gas outlet passage 36b (see FIGS. 1 and 2). In the second metal separator 18, a fuel gas inlet channel portion 48 a is formed facing the fuel gas inlet passage 36 a, and a fuel gas outlet channel portion 48 b is formed facing the fuel gas outlet passage 36 b. The fuel gas inlet buffer 50a and the fuel gas outlet buffer 50b are respectively configured.

従って、燃料ガス入口バッファ部50a及び燃料ガス出口バッファ部50bにおけるそれぞれの流路高さを大きく設定することができるとともに、単位セル12の厚さ方向の寸法が大きくなることがない。これにより、燃料電池10全体の小型化を図るとともに、アノード側電極30に対して燃料ガスを均一に分配し、発電性能の向上を図ることが可能になるという利点がある。   Therefore, the flow path heights of the fuel gas inlet buffer 50a and the fuel gas outlet buffer 50b can be set large, and the thickness of the unit cell 12 does not increase. Accordingly, there is an advantage that the fuel cell 10 as a whole can be reduced in size, and the fuel gas can be uniformly distributed to the anode-side electrode 30 to improve the power generation performance.

なお、第1の実施形態では、酸化剤ガス入口通路34aと酸化剤ガス入口流路部42aとが同一形状に設定されているが、異なる形状を有していてもよい。また、酸化剤ガス出口通路34bと酸化剤ガス出口流路部42b、燃料ガス入口通路36aと燃料ガス入口流路部48a、及び燃料ガス出口通路36bと燃料ガス出口流路部48bとにおいても、同様である。   In the first embodiment, the oxidant gas inlet passage 34a and the oxidant gas inlet passage portion 42a are set to have the same shape, but may have different shapes. Further, in the oxidant gas outlet passage 34b and the oxidant gas outlet passage portion 42b, the fuel gas inlet passage 36a and the fuel gas inlet passage portion 48a, and the fuel gas outlet passage 36b and the fuel gas outlet passage portion 48b, It is the same.

図6は、本発明の第2の実施形態に係る燃料電池60の断面説明図である。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。また、以下に説明する第3〜第5の実施形態においても同様に、その詳細な説明は省略する。   FIG. 6 is an explanatory cross-sectional view of a fuel cell 60 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. Similarly, in the third to fifth embodiments described below, detailed description thereof is omitted.

燃料電池60は、複数の単位セル62を積層して構成されており、前記単位セル62は、第2の実施形態に係る電解質膜・電極構造体64を備える。電解質膜・電極構造体64を構成する固体高分子電解質膜26の外周縁部両面には、樹脂製の額縁状補強部66が一体成形される。   The fuel cell 60 is configured by laminating a plurality of unit cells 62, and the unit cell 62 includes an electrolyte membrane / electrode structure 64 according to the second embodiment. A resin frame-shaped reinforcing portion 66 is integrally formed on both surfaces of the outer peripheral edge of the solid polymer electrolyte membrane 26 constituting the electrolyte membrane / electrode structure 64.

補強部66には、第1金属セパレータ16側の面に切り欠きを設けることにより、酸化剤ガス入口通路34a及び酸化剤ガス出口通路34bが設けられるとともに、第2金属セパレータ18側の面に切り欠きを設けることにより、燃料ガス入口通路36a及び燃料ガス出口通路36bが設けられる。   The reinforcing portion 66 is provided with an oxidant gas inlet passage 34a and an oxidant gas outlet passage 34b by providing a notch on the surface on the first metal separator 16 side, and is cut on the surface on the second metal separator 18 side. By providing the notch, the fuel gas inlet passage 36a and the fuel gas outlet passage 36b are provided.

このように構成される第2の実施形態では、固体高分子電解質膜26の外周端縁部両面に補強部66が設けられるとともに、この補強部66に酸化剤ガス入口通路34a、酸化剤ガス出口通路34b、燃料ガス入口通路36a及び燃料ガス出口通路36bが一体成形されている。従って、電解質膜・電極構造体64の厚さ方向の寸法が大きくなることがなく、通路高さを確保するとともに、排水性の向上を図ることができる等、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 reinforcing portions 66 are provided on both surfaces of the outer peripheral edge portion of the solid polymer electrolyte membrane 26, and the oxidizing gas inlet passage 34 a and the oxidizing gas outlet are provided in the reinforcing portions 66. A passage 34b, a fuel gas inlet passage 36a, and a fuel gas outlet passage 36b are integrally formed. Therefore, the dimension of the electrolyte membrane / electrode structure 64 in the thickness direction is not increased, the passage height is ensured and the drainage can be improved, and the like, as in the first embodiment. The effect is obtained.

図7は、本発明の第3の実施形態に係る燃料電池68の断面説明図である。   FIG. 7 is an explanatory cross-sectional view of a fuel cell 68 according to the third embodiment of the present invention.

燃料電池68は、複数の単位セル62aを積層して構成されており、前記単位セル62aは、第3の実施形態に係る電解質膜・電極構造体64aを備える。電解質膜・電極構造体64aを構成する固体高分子電解質膜26の外周縁部両面には、複数の樹脂製の額縁状補強部69が一体成形される。   The fuel cell 68 is configured by laminating a plurality of unit cells 62a, and the unit cell 62a includes the electrolyte membrane / electrode structure 64a according to the third embodiment. A plurality of resin frame-shaped reinforcing portions 69 are integrally formed on both surfaces of the outer peripheral edge portion of the solid polymer electrolyte membrane 26 constituting the electrolyte membrane / electrode structure 64a.

各補強部69は、第1金属セパレータ16と第2金属セパレータ18とが近接する部位間に対応して設けられる。補強部69間では、固体高分子電解質膜26が、酸化剤ガス入口バッファ部44a、酸化剤ガス出口バッファ部44b、燃料ガス入口バッファ部50a及び燃料ガス出口バッファ部50bに直接露呈している。   Each reinforcing portion 69 is provided corresponding to a portion between the first metal separator 16 and the second metal separator 18 that are close to each other. Between the reinforcing parts 69, the solid polymer electrolyte membrane 26 is directly exposed to the oxidant gas inlet buffer part 44a, the oxidant gas outlet buffer part 44b, the fuel gas inlet buffer part 50a, and the fuel gas outlet buffer part 50b.

このように構成される第3の実施形態では、上記の第1及び第2の実施形態と同様の効果が得られる。   In the third embodiment configured as described above, the same effects as those of the first and second embodiments can be obtained.

図8は、本発明の第4の実施形態に係る燃料電池70の分解斜視説明図であり、図9は、複数の単位セル72が積層された前記燃料電池70の断面説明図である。   FIG. 8 is an exploded perspective view of a fuel cell 70 according to a fourth embodiment of the present invention, and FIG. 9 is a cross-sectional view of the fuel cell 70 in which a plurality of unit cells 72 are stacked.

単位セル72は、第3の実施形態に係る電解質膜・電極構造体74が第1金属セパレータ76と第2金属セパレータ78とに挟持されて構成される。第1金属セパレータ76の電解質膜・電極構造体74に向かう面76aには、複数の酸化剤ガス流路溝42が設けられる。酸化剤ガス流路溝42の矢印B方向両端には、酸化剤ガス入口バッファ部80aと酸化剤ガス出口バッファ部80bとが形成される。酸化剤ガス入口バッファ部80a及び酸化剤ガス出口バッファ部80bは、複数のエンボス82a、82bを有する。   The unit cell 72 is configured by sandwiching an electrolyte membrane / electrode structure 74 according to the third embodiment between a first metal separator 76 and a second metal separator 78. A plurality of oxidant gas flow channel grooves 42 are provided on a surface 76 a of the first metal separator 76 facing the electrolyte membrane / electrode structure 74. An oxidant gas inlet buffer 80a and an oxidant gas outlet buffer 80b are formed at both ends of the oxidant gas flow channel 42 in the direction of arrow B. The oxidant gas inlet buffer unit 80a and the oxidant gas outlet buffer unit 80b have a plurality of embosses 82a and 82b.

図10に示すように、第1金属セパレータ76の面76bには、複数の冷却媒体流路溝46が形成される。冷却媒体流路溝46の両端には、酸化剤ガス入口バッファ部80aの裏面形状である冷却媒体入口バッファ部84aと、酸化剤ガス出口バッファ部80bの裏面形状である冷却媒体出口バッファ部84bとが連通する。   As shown in FIG. 10, a plurality of cooling medium flow channel grooves 46 are formed on the surface 76 b of the first metal separator 76. At both ends of the cooling medium passage groove 46, a cooling medium inlet buffer portion 84a that is the back surface shape of the oxidant gas inlet buffer portion 80a, and a cooling medium outlet buffer portion 84b that is the back surface shape of the oxidant gas outlet buffer portion 80b, Communicate.

冷却媒体入口バッファ部84a及び冷却媒体出口バッファ部84bは、それぞれ複数のエンボス86a、86bを有する。   The cooling medium inlet buffer portion 84a and the cooling medium outlet buffer portion 84b have a plurality of embosses 86a and 86b, respectively.

図11に示すように、第2金属セパレータ78の電解質膜・電極構造体74に向かう面78aには、複数の燃料ガス流路溝48が設けられる。燃料ガス流路溝48の両端には、燃料ガス入口バッファ部88aと、燃料ガス出口バッファ部88bとが連通する。燃料ガス入口バッファ部88a及び燃料ガス出口バッファ部88bは、それぞれ複数のエンボス90a、90bを有する。   As shown in FIG. 11, a plurality of fuel gas flow channel grooves 48 are provided on a surface 78 a of the second metal separator 78 facing the electrolyte membrane / electrode structure 74. A fuel gas inlet buffer portion 88a and a fuel gas outlet buffer portion 88b communicate with both ends of the fuel gas passage groove 48. The fuel gas inlet buffer portion 88a and the fuel gas outlet buffer portion 88b have a plurality of embosses 90a and 90b, respectively.

図8に示すように、第2金属セパレータ78の面78bには、複数の冷却媒体流路溝46が形成される。冷却媒体流路溝46の両端には、冷却媒体入口バッファ部84aと冷却媒体出口バッファ部84bとが連通する。   As shown in FIG. 8, a plurality of cooling medium flow channel grooves 46 are formed on the surface 78 b of the second metal separator 78. The cooling medium inlet buffer portion 84 a and the cooling medium outlet buffer portion 84 b communicate with both ends of the cooling medium flow channel 46.

図9及び図12に示すように、電解質膜・電極構造体74を構成する固体高分子電解質膜26の外周端縁部両面には、補強部32が一体成形される。補強部32には、カソード側電極28の矢印B方向両端外方に位置し、酸化剤ガス入口バッファ部80aに相当する部位と、酸化剤ガス出口バッファ部80bに相当する部位とに、それぞれ酸化剤ガス入口通路92aと酸化剤ガス出口通路92bとが形成される。   As shown in FIGS. 9 and 12, the reinforcing portions 32 are integrally formed on both surfaces of the outer peripheral edge of the solid polymer electrolyte membrane 26 constituting the electrolyte membrane / electrode structure 74. The reinforcing portion 32 is located outside both ends of the cathode side electrode 28 in the direction of arrow B, and oxidizes into a portion corresponding to the oxidant gas inlet buffer portion 80a and a portion corresponding to the oxidant gas outlet buffer portion 80b. An agent gas inlet passage 92a and an oxidant gas outlet passage 92b are formed.

酸化剤ガス入口通路92aは、補強部32に接合される(又は、一体成形される)枠部材94aのエンボス形状部によって形成される一方、酸化剤ガス出口通路92bは、前記補強部32に接合される(又は、一体成形される)枠部材94bのエンボス形状部によって形成される。   The oxidant gas inlet passage 92a is formed by an embossed shape portion of the frame member 94a joined to (or integrally formed with) the reinforcing portion 32, while the oxidant gas outlet passage 92b is joined to the reinforcing portion 32. Formed (or integrally formed) by the embossed shape portion of the frame member 94b.

図8に示すように、補強部32には、アノード側電極30の矢印B方向両端外方に位置して、燃料ガス入口バッファ部88a及び燃料ガス出口バッファ部88bに相当する部位に、それぞれ燃料ガス入口通路96aと燃料ガス出口通路96bとが形成される。   As shown in FIG. 8, the reinforcing portion 32 is located at both ends of the anode side electrode 30 in the direction of arrow B, and the fuel gas inlet buffer portion 88 a and the fuel gas outlet buffer portion 88 b are respectively provided with fuel. A gas inlet passage 96a and a fuel gas outlet passage 96b are formed.

燃料ガス入口通路96aは、補強部32に設けられる枠部材98aのエンボス形状部によって形成される一方、燃料ガス出口通路96bは、前記補強部32に設けられる枠部材98bのエンボス形状部によって形成される。   The fuel gas inlet passage 96a is formed by an embossed shape portion of a frame member 98a provided in the reinforcing portion 32, while the fuel gas outlet passage 96b is formed by an embossed shape portion of the frame member 98b provided in the reinforcing portion 32. The

このように構成される第4の実施形態では、例えば、燃料ガス流路溝48の両端に連通する燃料ガス入口バッファ部88a及び燃料ガス出口バッファ部88bは、第2金属セパレータ78に形成されるエンボス90a、90bと、固体高分子電解質膜26の補強部32に形成される燃料ガス入口通路96a及び燃料ガス出口通路96bとによって構成されている。 In the fourth embodiment configured as described above, for example, the fuel gas inlet buffer portion 88 a and the fuel gas outlet buffer portion 88 b communicating with both ends of the fuel gas flow channel 48 are formed in the second metal separator 78. embossed scan 9 0a, it is configured 90b and, by a fuel gas inlet passage 96a and the fuel gas outlet passage 96b formed in the reinforcement portion 32 of the solid polymer electrolyte membrane 26.

従って、燃料ガス入口バッファ部88a及び燃料ガス出口バッファ部88bは、各単位セル72の積層方向の厚さを大きくすることがなく、通路高さを大きく設定することができる。これにより、燃料電池70の小型化が遂行されるとともに、燃料ガス入口バッファ部88a及び燃料ガス出口バッファ部88bでの圧力損失を低下させ、しかも排水性の向上を図ることができる等、上記の第1及び第2の実施形態と同様の効果が得られる。   Therefore, the fuel gas inlet buffer portion 88a and the fuel gas outlet buffer portion 88b can set the passage height large without increasing the thickness of the unit cells 72 in the stacking direction. As a result, the fuel cell 70 can be reduced in size, the pressure loss in the fuel gas inlet buffer portion 88a and the fuel gas outlet buffer portion 88b can be reduced, and drainage can be improved. The same effects as those of the first and second embodiments can be obtained.

図13は、本発明の第5の実施形態に係る燃料電池100の分解斜視図であり、図14は、複数の単位セル102を積層してスタック化された前記燃料電池100の断面説明図である。   FIG. 13 is an exploded perspective view of a fuel cell 100 according to a fifth embodiment of the present invention, and FIG. 14 is an explanatory cross-sectional view of the fuel cell 100 in which a plurality of unit cells 102 are stacked to form a stack. is there.

単位セル102は、電解質膜・電極構造体14が第1カーボンセパレータ106と第2カーボンセパレータ108とに挟持されて構成される。第1カーボンセパレータ106の電解質膜・電極構造体14に向かう面106aには、複数の酸化剤ガス流路溝42が設けられる。酸化剤ガス流路溝42の矢印B方向両端には、酸化剤ガス入口バッファ部44aを構成する酸化剤ガス入口流路部42aと、酸化剤ガス出口バッファ部44bを構成する酸化剤ガス出口流路部42bとが連通する。   The unit cell 102 is configured by sandwiching an electrolyte membrane / electrode structure 14 between a first carbon separator 106 and a second carbon separator 108. A plurality of oxidant gas channel grooves 42 are provided on the surface 106 a of the first carbon separator 106 facing the electrolyte membrane / electrode structure 14. At the opposite ends of the oxidant gas flow channel groove 42 in the direction of arrow B, the oxidant gas inlet flow channel 42a constituting the oxidant gas inlet buffer 44a and the oxidant gas outlet flow constituting the oxidant gas outlet buffer 44b. The road part 42b communicates.

第1カーボンセパレータ106の面106bは、例えば、平坦状に構成される。図15に示すように、第2カーボンセパレータ108の電解質膜・電極構造体14に向かう面108aには、複数の燃料ガス流路溝48が設けられる。燃料ガス流路溝48の両端には、燃料ガス入口バッファ部50aを構成する燃料ガス入口流路部48aと、燃料ガス出口バッファ部50bを構成する燃料ガス出口流路部48bとが連通する。   The surface 106b of the first carbon separator 106 is configured to be flat, for example. As shown in FIG. 15, a plurality of fuel gas channel grooves 48 are provided on the surface 108 a of the second carbon separator 108 facing the electrolyte membrane / electrode structure 14. A fuel gas inlet channel portion 48a constituting the fuel gas inlet buffer portion 50a and a fuel gas outlet channel portion 48b constituting the fuel gas outlet buffer portion 50b communicate with both ends of the fuel gas passage groove 48.

図13に示すように、第2カーボンセパレータ108の面108bには、複数の冷却媒体流路溝46が形成される。冷却媒体流路溝46の両端には、冷却媒体入口連通孔22aに連通する冷却媒体入口流路部46aと、冷却媒体出口連通孔22bに連通する冷却媒体出口流路部46bとが連通する。   As shown in FIG. 13, a plurality of cooling medium passage grooves 46 are formed on the surface 108 b of the second carbon separator 108. At both ends of the cooling medium channel groove 46, a cooling medium inlet channel portion 46a communicating with the cooling medium inlet communication hole 22a and a cooling medium outlet channel portion 46b communicating with the cooling medium outlet communication hole 22b communicate.

このように構成される第5の実施形態では、金属セパレータに代えて、第1カーボンセパレータ106及び第2カーボンセパレータ108を用いるとともに、電解質膜・電極構造体14を備えている。従って、燃料電池100全体の小型化が遂行されるとともに、カソード側電極28及びアノード側電極30にそれぞれ、酸化剤ガス及び燃料ガスを均一に分配することが可能になる等、上記の第1の実施形態と同様の効果が得られる。しかも、反応ガス面と冷却媒体面とで、それぞれ個別に最適な形状を設定することができる。   In the fifth embodiment configured as described above, the first carbon separator 106 and the second carbon separator 108 are used in place of the metal separator, and the electrolyte membrane / electrode structure 14 is provided. Accordingly, the overall size of the fuel cell 100 can be reduced, and the oxidant gas and the fuel gas can be uniformly distributed to the cathode side electrode 28 and the anode side electrode 30, respectively. The same effect as the embodiment can be obtained. Moreover, optimum shapes can be set individually for the reaction gas surface and the cooling medium surface.

なお、第5の実施形態では、電解質膜・電極構造体14を用いているが、これに代えて、電解質膜・電極構造体64、64a又は74を用いることができる。   In the fifth embodiment, the electrolyte membrane / electrode structure 14 is used. Alternatively, the electrolyte membrane / electrode structure 64, 64a, or 74 can be used.

10、60、68、70、100…燃料電池
12…単位セル
14、64、64a、74…電解質膜・電極構造体
16、18、76、78…金属セパレータ
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、66、69…補強部
34a、92a…酸化剤ガス入口通路 34b、92b…酸化剤ガス出口通路
36a、96a…燃料ガス入口通路 36b、96b…燃料ガス出口通路
38a、38b、40a、40b、94a、94b、98a、98b…枠部材
42…酸化剤ガス流路溝 42a…酸化剤ガス入口流路部
42b…酸化剤ガス出口流路部
44a、80a…酸化剤ガス入口バッファ部
44b、80b…酸化剤ガス出口バッファ部
46…冷却媒体流路溝 48…燃料ガス流路溝
48a…燃料ガス入口流路部 48b…燃料ガス出口流路部
50a、88a…燃料ガス入口バッファ部
50b、88b…燃料ガス出口バッファ部
62、62a、72、102…単位セル
84a…冷却媒体入口バッファ部
84b…冷却媒体出口バッファ部 106、108…カーボンセパレータ
10, 60, 68, 70, 100 ... fuel cell 12 ... unit cell 14, 64, 64a, 74 ... electrolyte membrane / electrode structure 16, 18, 76, 78 ... metal 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 Electrodes 32, 66, 69 ... Reinforcing portions 34a, 92a ... Oxidant gas inlet passages 34b, 92b ... Oxidant gas outlet passages 36a, 96a ... Fuel gas inlet passages 36b, 96b ... Fuel gas outlet passages 38a, 38b, 40a, 40b , 94a, 94b, 98a, 98b ... Frame member 42 ... Oxidant gas channel groove 42a ... Oxidant gas inlet channel part 42b ... Oxidant gas outlet Path portions 44a, 80a ... Oxidant gas inlet buffer portions 44b, 80b ... Oxidant gas outlet buffer portion 46 ... Cooling medium flow channel groove 48 ... Fuel gas flow channel groove 48a ... Fuel gas inlet flow channel portion 48b ... Fuel gas outlet flow Path portions 50a, 88a ... Fuel gas inlet buffer portions 50b, 88b ... Fuel gas outlet buffer portions 62, 62a, 72, 102 ... Unit cell 84a ... Cooling medium inlet buffer portion 84b ... Cooling medium outlet buffer portion 106, 108 ... Carbon separator

Claims (6)

電解質である固体高分子電解質膜の両側に一対の電極を配設するとともに、前記固体高分子電解質は、前記電極よりも大きな表面積を有し、前記電極から外方に突出する外周部の少なくとも一方の面側に額縁状補強部が設けられる燃料電池用電解質・電極構造体であって、
前記額縁状補強部には、燃料ガス又は酸化剤ガスである反応ガスを該額縁状補強部の平面に沿って流すための反応ガス通路が形成されることを特徴とする燃料電池用電解質・電極構造体。
With arranging a pair of electrodes on both sides of the solid polymer electrolyte membrane is an electrolyte, the solid polymer electrolyte membrane has a larger surface area than the electrodes, at least the outer peripheral portion projecting outwardly from the electrode A fuel cell electrolyte / electrode structure provided with a frame-shaped reinforcing portion on one surface side,
An electrolyte electrode for a fuel cell, characterized in that a reaction gas passage is formed in the frame-shaped reinforcing portion for allowing a reaction gas, which is a fuel gas or an oxidant gas, to flow along the plane of the frame-shaped reinforcing portion. Structure.
請求項1記載の電解質・電極構造体において、前記反応ガス通路は、前記額縁状補強部に、通路形状を有する枠部材を接合することにより形成されることを特徴とする燃料電池用電解質・電極構造体。 The electrolyte / electrode structure according to claim 1, wherein the reaction gas passage is formed by joining a frame member having a passage shape to the frame-shaped reinforcing portion. Electrode structure. 電解質である固体高分子電解質膜の両側に一対の電極を配設した電解質・電極構造体を、一対のセパレータで挟持するとともに、前記固体高分子電解質は、前記電極よりも大きな表面積を有し、前記電極から外方に突出する外周部の少なくとも一方の面側に額縁状補強部が設けられる燃料電池であって、
前記電解質・電極構造体と一方の前記セパレータとの間には、燃料ガス又は酸化剤ガスである反応ガスを一方の前記電極に沿って流すための反応ガス流路と、
少なくとも前記反応ガスを一方の前記電極の外方と前記反応ガス流路との間に流通させるバッファ部と、
が設けられるとともに、
前記額縁状補強部には、前記バッファ部に相当する部位に該額縁状補強部の平面に沿って前記反応ガスを流すための反応ガス通路が形成されることを特徴とする燃料電池。
An electrolyte / electrode structure having a pair of electrodes disposed on both sides of a solid polymer electrolyte membrane , which is an electrolyte , is sandwiched between a pair of separators, and the solid polymer electrolyte membrane has a larger surface area than the electrodes. A fuel cell in which a frame-shaped reinforcing portion is provided on at least one surface side of the outer peripheral portion protruding outward from the electrode,
Between the electrolyte / electrode structure and one of the separators, a reaction gas flow path for flowing a reaction gas that is a fuel gas or an oxidant gas along one of the electrodes;
A buffer portion for allowing at least the reaction gas to flow between the outside of the one electrode and the reaction gas flow path;
Is provided,
The fuel cell according to claim 1, wherein a reaction gas passage for allowing the reaction gas to flow along a plane of the frame-shaped reinforcing portion is formed in a portion corresponding to the buffer portion in the frame-shaped reinforcing portion.
請求項3記載の燃料電池において、前記反応ガス通路は、前記額縁状補強部に、通路形状を有する枠部材を重ね合わせることにより形成されることを特徴とする燃料電池。   4. The fuel cell according to claim 3, wherein the reactive gas passage is formed by overlapping a frame member having a passage shape on the frame-shaped reinforcing portion. 請求項3又は4記載の燃料電池において、一方の前記セパレータには、前記バッファ部に相当する部位に前記反応ガス通路に対向して反応ガス流路部が形成されることを特徴とする燃料電池。   5. The fuel cell according to claim 3, wherein one of the separators is formed with a reaction gas flow path portion facing the reaction gas passage at a portion corresponding to the buffer portion. . 請求項5記載の燃料電池において、前記反応ガス流路部は、前記バッファ部の前記反応ガス通路と同一形状に形成されることを特徴とする燃料電池。   6. The fuel cell according to claim 5, wherein the reaction gas flow path portion is formed in the same shape as the reaction gas passage of the buffer portion.
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