JP2004172004A

JP2004172004A - Fuel cell

Info

Publication number: JP2004172004A
Application number: JP2002338241A
Authority: JP
Inventors: Seiji Sugiura; 誠治杉浦; Shuhei Goto; 修平後藤
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2002-11-21
Filing date: 2002-11-21
Publication date: 2004-06-17
Anticipated expiration: 2022-11-21
Also published as: JP4130889B2

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To improve power generation efficiency effectively by a simple and compact configuration. <P>SOLUTION: A metal separator 13 has a cooling medium flow-path 42 formed by communicating a cooling medium inlet communicating hole 22a and a cooling medium outlet communicating hole 22b. The cooling medium inlet communicating hole 22a and the cooling medium outlet communicating hole 22b are provided with first communicating parts 25a, 25b of almost square shape to communicate with the cooling medium flow-path 42 and second communicating parts 27a, 27b of almost square shape communicated with the first communicating parts 25a, 25b so as to be partly piled up on the first communicating parts 25a, 25b. The first communicating parts 25a, 25b and the second communicating parts 27a, 27b are so structured to be mutually offset in a height direction. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電解質を一組の電極で挟んで構成される電解質・電極構造体を有し、前記電解質・電極構造体とセパレータとを交互に積層する燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜（陽イオン交換膜）からなる固体高分子電解質膜を採用している。この燃料電池は、固体高分子電解質膜の両側に、それぞれ電極触媒と多孔質カーボンからなるアノード側電極およびカソード側電極を対設した電解質膜・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構成されている。
【０００３】
この種の燃料電池において、アノード側電極に供給された燃料ガス（反応ガス）、例えば、主に水素を含有するガス（以下、水素含有ガスともいう）は、電極触媒上で水素がイオン化され、電解質膜を介してカソード側電極側へと移動する。その間に生じた電子は外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。なお、カソード側電極には、酸化剤ガス（反応ガス）、例えば、主に酸素を含有するガスあるいは空気（以下、酸素含有ガスともいう）が供給されているために、このカソード側電極において、水素イオン、電子および酸素が反応して水が生成される。
【０００４】
ところで、燃料電池は、通常、数十〜数百の単位セルを積層して燃料電池スタックを構成している。その際、各単位セル同士を正確に位置決めする必要があり、例えば、前記単位セルに形成された位置決め用孔部にノックピンを挿入する作業が行われている。
【０００５】
例えば、特許文献１に開示されている燃料電池の組み立て方法では、図１０に示すように、単位セル１を構成するカーボンプレート（セパレータ）２ａ、２ｂ間に電解質膜３が介装されるとともに、前記電解質膜３の両面には、シールプレート４ａ、４ｂを介装して触媒電極５ａ、５ｂが積層されている。
【０００６】
単位セル１には、積層方向（矢印Ｘ方向）に貫通して、例えば、酸化剤ガス用のガス入口マニホールド６ａとガス出口マニホールド６ｂとが形成されるとともに、前記ガス入口マニホールド６ａと前記ガス出口マニホールド６ｂとは、カーボンプレート２ａの触媒電極５ａに対向する面に形成されたガス通路溝８ａを介して貫通している。
【０００７】
単位セル１には、例えば、燃料ガス用のガス入口マニホールド７ａとガス出口マニホールド７ｂとが形成されるとともに、カーボンプレート２ｂの触媒電極５ｂに対向する面には、前記ガス入口マニホールド７ａと前記ガス出口マニホールド７ｂとを連通するガス通路溝８ｂが形成されている。単位セル１の各角部には、図示しないノックピンを挿入するための位置決め穴９が形成されている。
【０００８】
【特許文献１】
特開平９−７６２７号公報（段落［０００８］〜［００１０］、図４）
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の特許文献１では、触媒電極５ａ、５ｂの周囲にガス入口マニホールド６ａ、７ａおよびガス出口マニホールド６ｂ、７ｂが形成されるとともに、各角部近傍にノックピン挿入用の位置決め穴部９が形成されている。このため、触媒電極５ａ、５ｂの発電面積に対して、カーボンプレート２ａ、２ｂの面積が相当に増大してしまい、単位セル１全体が大型化するという問題がある。これにより、複数の単位セル１を積層して燃料電池スタックを構成する際に、この燃料電池スタックの発電効率が著しく低下するという問題が指摘されている。
【００１０】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単かつコンパクトな構成で、発電効率を有効に向上させることが可能な燃料電池を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１に係る燃料電池では、セパレータには、冷却媒体入口連通孔と冷却媒体出口連通孔とに連通し、前記セパレータの面方向に延在する冷却媒体流路が形成されている。冷却媒体入口連通孔および冷却媒体出口連通孔は、冷却媒体流路に連通する略四角形状の第１連通部と、前記第１連通部に一部分を重ね合わせるように連通する略四角形状の第２連通部とを備えている。
【００１２】
その際、第１連通部の略中央位置と第２連通部の略中央位置とは、互いに高さ方向にオフセットしている。このため、例えば、第２連通部は、ノック孔やバッファ部等に干渉しない位置に効率的に設けることができるとともに、第１連通部は、冷却媒体流路の幅方向中央部に形成することが可能である。
【００１３】
従って、セパレータ面内の有効スペースを効率的に使用するとともに、冷却媒体を冷却媒体流路に沿って均一かつ円滑に供給することができる。これにより、燃料電池全体の小型化を図るとともに、発電効率の向上が容易に遂行可能になる。しかも、冷却媒体入口連通孔および冷却媒体出口連通孔の開口面積を十分に確保することができ、流路抵抗が低減されて冷却媒体の分配性が良好に向上する。
【００１４】
また、本発明の請求項２に係る燃料電池では、セパレータには、互いに位置決めして積層するための第１および第２位置決め用孔部が設けられている。セパレータの面方向一端部には、冷却媒体入口連通孔と第１位置決め用孔部とが隣接して設けられるとともに、前記セパレータの面方向他端部には、冷却媒体出口連通孔と第２位置決め用孔部とが隣接して設けられている。
【００１５】
このため、セパレータ面内には、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、冷却媒体出口連通孔、第１位置決め用孔部および第２位置決め用孔部を効率的に形成することが可能になり、燃料電池全体の小型化が容易に図られる。
【００１６】
さらに、本発明の請求項３に係る燃料電池では、第１位置決め用孔部と第２位置決め用孔部とは、セパレータ面内の対角位置に設けられている。これにより、第１および第２位置決め用孔部を使用して、隣り合うセパレータ同士を確実かつ高精度に位置決めすることができる。一方、冷却媒体入口連通孔と冷却媒体出口連通孔とは、略対称形状に構成されている。このため、冷却媒体流路に対する冷却媒体の出入りが同一条件で行われ、冷却媒体流路全体にわたって前記冷却媒体を円滑に流動させることが可能になる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池１０の要部分解斜視図であり、図２は、前記燃料電池１０の一部断面説明図である。
【００１８】
燃料電池１０は、電解質膜・電極構造体（電解質・電極構造体）１２と、金属セパレータ１３とを交互に積層して構成されるとともに、この金属セパレータ１３は、互いに積層される横長な第１および第２金属プレート１４、１６を備える。
【００１９】
図１に示すように、燃料電池１０の矢印Ｂ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（反応ガス入口連通孔）２０ａ、冷却媒体を供給するための冷却媒体入口連通孔２２ａ、および燃料ガス、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（反応ガス出口連通孔）２４ｂが、矢印Ｃ方向（鉛直方向）に配列して設けられる。
【００２０】
冷却媒体入口連通孔２２ａと燃料ガス出口連通孔２４ｂとの間には、燃料電池１０を積層方向に位置決めするための第１位置決め用孔部１８ａが矢印Ａ方向に互いに連通して設けられる。冷却媒体入口連通孔２２ａは、後述する冷却媒体流路４２に連通する略四角形状の第１連通部２５ａと、この第１連通部２５ａに一部分を重ね合わせるように連通する略四角形状の第２連通部２７ａとを備える。第１連通部２５ａおよび第２連通部２７ａは、それぞれの角部にＲ（曲率）が設けられており、冷却媒体の流れを円滑にする機能を有する。
【００２１】
図３に示すように、第１連通部２５ａの略中央位置Ｐ１と第２連通部２７ａの略中央位置Ｐ２とは、互いに高さ方向（矢印Ｃ方向）にオフセットして設定されている。第２連通部２７ａは、第１連通部２５ａよりも上方（矢印Ｃ１方向）に距離Ｈだけ離間して配置される。
【００２２】
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（反応ガス入口連通孔）２４ａ、冷却媒体を排出するための冷却媒体出口連通孔２２ｂ、および酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス出口連通孔（反応ガス出口連通孔）２０ｂが、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。
【００２３】
燃料ガス入口連通孔２４ａと冷却媒体出口連通孔２２ｂとの間には、燃料電池１０を組み立てる際に位置決めを行うための第２位置決め用孔部１８ｂが、矢印Ａ方向に連通して設けられる。冷却媒体出口連通孔２２ｂは、冷却媒体入口連通孔２２ａと同様に、後述する冷却媒体流路４２に連通する略四角形状（Ｒを有する）の第１連通部２５ｂと、前記第１連通部２５ｂに連通する略四角形状（Ｒを有する）の第２連通部２７ｂとを備える。
【００２４】
第１連通部２５ｂの略中央位置Ｐ１と第２連通部２７ｂの略中央位置Ｐ２とは、互いに矢印Ｃ方向にオフセットしている。第１連通部２５ｂは、第２連通部２７ｂよりも上方向（矢印Ｃ１方向）に距離Ｈだけ離間して設けられる。
【００２５】
冷却媒体入口連通孔２２ａおよび冷却媒体出口連通孔２２ｂには、第１連通部２５ａ、２５ｂが冷却媒体流路４２の幅方向（矢印Ｃ方向）中央部に形成されるとともに、第２連通部２７ａ、２７ｂが第１および第２位置決め用孔部１８ａ、１８ｂに干渉しない位置に設けられる。
【００２６】
第１および第２位置決め用孔部１８ａ、１８ｂは、燃料電池１０の矢印Ｂ方向両端部に対角位置に設けられる一方、冷却媒体入口連通孔２２ａと冷却媒体出口連通孔２２ｂとは、略対称形状に構成される。
【００２７】
図１および図２に示すように、電解質膜・電極構造体１２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てなる固体高分子電解質膜２６と、該固体高分子電解質膜２６を挟持するアノード側電極２８およびカソード側電極３０とを備える。
【００２８】
アノード側電極２８およびカソード側電極３０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を前記ガス拡散層の表面に一様に塗布した電極触媒層とをそれぞれ有する。電極触媒層は、互いに固体高分子電解質膜２６を介装して対向するように、前記固体高分子電解質膜２６の両面に接合されている。
【００２９】
図１および図３に示すように、第１金属プレート１４の電解質膜・電極構造体１２側の面１４ａには、酸化剤ガス流路３２が設けられるとともに、この酸化剤ガス流路３２は、酸化剤ガス入口連通孔２０ａと酸化剤ガス出口連通孔２０ｂとに連通する。酸化剤ガス流路３２は、酸化剤ガス入口連通孔２０ａに近接して設けられる略直角三角形状の入口バッファ部３４と、酸化剤ガス出口連通孔２０ｂに近接して設けられる略直角三角形状の出口バッファ部３６とを備える。入口バッファ部３４および出口バッファ部３６は、互いに略対称形状に構成されるとともに、複数のエンボス３４ａ、３６ａを設ける。
【００３０】
入口バッファ部３４と出口バッファ部３６とは、３本の酸化剤ガス流路溝３８ａ、３８ｂおよび３８ｃを介して連通している。酸化剤ガス流路溝３８ａ〜３８ｃは、互いに平行して矢印Ｂ方向に蛇行しながら矢印Ｃ方向に延在している。具体的には、酸化剤ガス流路溝３８ａ〜３８ｃは、例えば、２回の折り返し部位Ｔ１、Ｔ２を有して矢印Ｂ方向に一往復半のサーペンタイン流路溝に構成される。
【００３１】
第１金属プレート１４の面１４ａには、酸化剤ガス入口連通孔２０ａ、酸化剤ガス出口連通孔２０ｂおよび酸化剤ガス流路３２を覆って酸化剤ガスのシールを行う線状シール４０が設けられる。
【００３２】
第１金属プレート１４と第２金属プレート１６との互いに対向する面１４ｂ、１６ａには、冷却媒体流路４２が一体的に形成される。図４に示すように、冷却媒体流路４２は、冷却媒体入口連通孔２２ａの矢印Ｃ方向両端近傍に設けられる、例えば、略直角三角形状の入口バッファ部４４、４６と、冷却媒体出口連通孔２２ｂの矢印Ｃ方向両側近傍に設けられる、例えば、略直角三角形状の出口バッファ部４８、５０とを備える。
【００３３】
入口バッファ部４４と出口バッファ部５０とは、互いに略対称形状に構成されるとともに、入口バッファ部４６と出口バッファ部４８とは、互いに略対称形状に構成される。入口バッファ部４４、入口バッファ部４６、出口バッファ部４８および出口バッファ部５０は、複数のエンボス４４ａ、４６ａ、４８ａおよび５０ａにより構成されている。
【００３４】
冷却媒体入口連通孔２２ａの第１連通部２５ａと入口バッファ部４４、４６とは、第１および第２の入口連絡流路５２、５４を介して連通する一方、冷却媒体出口連通孔２２ｂの第１連通部２５ｂと出口バッファ部４８、５０とは、第１および第２の出口連絡流路５６、５８を介して連通する。第１の入口連絡流路５２は、例えば、２本の流路溝を備えるとともに、第２の入口連絡流路５４は、例えば、６本の流路溝を備えている。同様に、第１の出口連絡流路５６は、６本の流路溝を設ける一方、第２の出口連絡流路５８は、２本の流路溝を設けている。
【００３５】
第１の入口連絡流路５２の流路本数と第２の入口連絡流路５４の流路本数とは、２本と６本とに限定されるものではなく、また、それぞれの流路本数が同一に設定されていてもよい。第１および第２の出口連絡流路５６、５８においても同様である。
【００３６】
入口バッファ部４４と出口バッファ部４８とは、矢印Ｂ方向に延在する直線状流路溝６０、６２、６４および６６を介して連通するとともに、入口バッファ部４６と出口バッファ部５０とは、矢印Ｂ方向に延在する直線状流路溝６８、７０、７２および７４を介して連通する。直線状流路溝６６、６８間には、矢印Ｂ方向に所定の長さだけ延在して直線状流路溝７６、７８が設けられる。
【００３７】
直線状流路溝６０〜７４は、矢印Ｃ方向に延在する直線状流路溝８０、８２を介して連通する。直線状流路溝６２〜７８は、矢印Ｃ方向に延在する直線状流路溝８４、８６を介して連通するとともに、直線状流路溝６４、６６および７６と直線状流路溝６８、７０および７８とは、矢印Ｃ方向に断続的に延在する直線状流路溝８８および９０を介して連通する。
【００３８】
冷却媒体流路４２は、第１金属プレート１４と第２金属プレート１６とに振り分けられており、前記第１および第２金属プレート１４、１６を互いに重ね合わせることによって、前記冷却媒体流路４２が形成される。図５に示されるように、第１金属プレート１４の面１４ｂには、面１４ａ側に形成される酸化剤ガス流路３２を避けるようにして冷却媒体流路４２の一部が形成される。
【００３９】
なお、面１４ｂには、面１４ａに形成された酸化剤ガス流路３２が凸状に突出しているが、冷却媒体流路４２を分かり易くするために、該凸状部分の図示は省略する。また、図６に示す面１６ａも同様に、面１６ｂに形成された後述する燃料ガス流路９６が前記面１６ａに凸状に突出する部分の図示は省略する。
【００４０】
面１４ｂには、冷却媒体入口連通孔２２ａに２本の第１の入口連絡流路５２を介して連通する入口バッファ部４４と、冷却媒体出口連通孔２２ｂに２本の第２の出口連絡流路５８を介して連通する出口バッファ部５０とが設けられる。
【００４１】
入口バッファ部４４には、酸化剤ガス流路溝３８ａ〜３８ｃの折り返し部位Ｔ２および出口バッファ部３６を避けるようにして、溝部６０ａ、６２ａ、６４ａおよび６６ａが矢印Ｂ方向に沿って断続的かつ所定の長さに設けられる。出口バッファ部５０には、酸化剤ガス流路溝３８ａ〜３８ｃの折り返し部位Ｔ１および入口バッファ部３４を避けるようにして、溝部６８ａ、７０ａ、７２ａおよび７４ａが矢印Ｂ方向に沿って所定の位置に設けられる。
【００４２】
溝部６０ａ〜７８ａは、それぞれ直線状流路溝６０〜７８の一部を構成している。直線状流路溝８０〜９０を構成する溝部８０ａ〜９０ａは、蛇行する酸化剤ガス流路溝３８ａ〜３８ｃを避けるようにして、矢印Ｃ方向にそれぞれ所定の長さにわたって設けられる。
【００４３】
図６に示すように、第２金属プレート１６の面１６ａには、後述する燃料ガス流路９６を避けるようにして冷却媒体流路４２の一部が形成される。具体的には、冷却媒体入口連通孔２２ａに連通する入口バッファ部４６と、冷却媒体出口連通孔２２ｂに連通する出口バッファ部４８とが設けられる。
【００４４】
入口バッファ部４６には、直線状流路溝６８〜７４を構成する溝部６８ｂ〜７４ｂが矢印Ｂ方向に沿って所定の長さにかつ断続的に連通する一方、出口バッファ部４８には、直線状流路溝６０〜６６を構成する溝部６０ｂ〜６６ｂが所定の形状に設定されて連通する。面１６ａには、直線状流路溝８０〜９０を構成する溝部８０ｂ〜９０ｂが矢印Ｃ方向に延在して設けられる。
【００４５】
冷却媒体流路４２では、矢印Ｂ方向に延在する直線状流路溝６０〜７８の一部がそれぞれの溝部６０ａ〜７８ａおよび６０ｂ〜７８ｂに互いに対向することにより、流路断面積を他の部分の２倍に拡大して主流路が構成されている（図４参照）。直線状流路溝８０〜９４は、一部を重合させてそれぞれ第１および第２金属プレート１４、１６に振り分けられている。第１金属プレート１４の面１４ａと第２金属プレート１６の面１６ａとの間には、冷却媒体流路４２を囲繞する線状シール４０ａが介装されている。
【００４６】
図１に示すように、金属セパレータ１３は、第１および第２金属プレート１４、１６が積層された状態で、入口バッファ部３４、４６が互いに重なり合う一方、出口バッファ部３６、４８が互いに重なり合っている。
【００４７】
図７に示すように、第２金属プレート１６の電解質膜・電極構造体１２側の面１６ｂには、燃料ガス流路９６が設けられる。燃料ガス流路９６は、燃料ガス入口連通孔２４ａに近接して設けられる略直角三角形状の入口バッファ部９８と、燃料ガス出口連通孔２４ｂに近接して設けられる略直角三角形状の出口バッファ部１００とを備える。
【００４８】
入口バッファ部９８および出口バッファ部１００は、互いに略対称形状に構成されるとともに、複数のエンボス９８ａ、１００ａを設けており、例えば、３本の燃料ガス流路溝１０２ａ、１０２ｂおよび１０２ｃを介して連通する。燃料ガス流路溝１０２ａ〜１０２ｃは、矢印Ｂ方向に蛇行しながら矢印Ｃ方向に延在しており、例えば、２回の折り返し部位Ｔ３、Ｔ４を設けて実質的に一往復半のサーペンタイン流路溝に構成される。面１６ｂには、燃料ガス流路９６を囲繞する線状シール４０ｂが設けられる。
【００４９】
図５および図７に示すように、第１金属プレート１４の面１４ｂに形成される入口バッファ部４４と、第２金属プレート１６の面１６ｂに形成される出口バッファ部１００とが重なり合う一方、前記面１４ｂの出口バッファ部５０と前記面１６ｂの入口バッファ部９８とが重なり合うように構成される。
【００５０】
このように構成される第１の実施形態に係る燃料電池１０の動作について、以下に説明する。
【００５１】
図１に示すように、燃料ガス入口連通孔２４ａには、水素含有ガス等の燃料ガスが供給されるとともに、酸化剤ガス入口連通孔２０ａには、酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給される。さらに、冷却媒体入口連通孔２２ａには、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。
【００５２】
酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔２０ａから第１金属プレート１４の酸化剤ガス流路３２に導入される。酸化剤ガス流路３２では、図３に示すように、酸化剤ガスが一旦入口バッファ部３４に導入された後、酸化剤ガス流路溝３８ａ〜３８ｃに分散される。このため、酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路溝３８ａ〜３８ｃを介して蛇行しながら、電解質膜・電極構造体１２のカソード側電極３０に沿って移動する。
【００５３】
一方、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔２４ａから第２金属プレート１６の燃料ガス流路９６に導入される。この燃料ガス流路９６では、図７に示すように、燃料ガスが一旦入口バッファ部９８に導入された後、燃料ガス流路溝１０２ａ〜１０２ｃに分散される。さらに、燃料ガスは、燃料ガス流路溝１０２ａ〜１０２ｃを介して蛇行し、電解質膜・電極構造体１２のアノード側電極２８に沿って移動する。
【００５４】
従って、電解質膜・電極構造体１２では、カソード側電極３０に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極２８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。
【００５５】
次いで、アノード側電極２８に供給されて消費された燃料ガスは、出口バッファ部１００から燃料ガス出口連通孔２４ｂに排出される。同様に、カソード側電極３０に供給されて消費された酸化剤ガスは、出口バッファ部３６から酸化剤ガス出口連通孔２０ｂに排出される。
【００５６】
一方、冷却媒体入口連通孔２２ａに供給された冷却媒体は、第１および第２金属プレート１４、１６間に形成された冷却媒体流路４２に導入される。この冷却媒体流路４２では、図４に示すように、冷却媒体入口連通孔２２ａから矢印Ｃ方向に延在する第１および第２の入口連絡流路５２、５４を介して入口バッファ部４４、４６に冷却媒体が一旦導入される。
【００５７】
入口バッファ部４４、４６に導入された冷却媒体は、直線状流路溝６０〜６６および６８〜７４に分散されて水平方向（矢印Ｂ方向）に移動するとともに、その一部が直線状流路溝８０〜９０および７６、７８に供給される。従って、冷却媒体は、電解質膜・電極構造体１２の発電面全面にわたって供給された後、出口バッファ部４８、５０に一旦導入され、さらに第１および第２の出口連絡流路５６、５８を介して冷却媒体出口連通孔２２ｂに排出される。
【００５８】
この場合、第１の実施形態では、燃料電池１０の長手方向（矢印Ｂ方向）両端に第１および第２位置決め用孔部１８ａ、１８ｂが設けられている。このため、図示しないノックピンを第１および第２位置決め用孔部１８ａ、１８ｂに挿入することにより、電解質膜・電極構造体１２と金属セパレータ１３とが互いに位置決めされて矢印Ａ方向に積層され、燃料電池１０が得られる。さらに、各燃料電池１０の第１および第２位置決め用孔部１８ａ、１８ｂにノックピン（図示せず）が挿入されることによって、複数の燃料電池１０が矢印Ａ方向に積層した燃料電池スタックが組み付けられる。ノックピンは、樹脂材料等の絶縁材で形成されている。
【００５９】
その際、燃料電池１０では、冷却媒体入口連通孔２２ａおよび冷却媒体出口連通孔２２ｂが、冷却媒体流路４２に連通する略四角形状の第１連通部２５ａ、２５ｂと、前記第１連通部２５ａ、２５ｂに一部分が重なり合うように互いに矢印Ｃ方向にオフセットして連通する略四角形状の第２連通部２７ａ、２７ｂとを備えている。
【００６０】
このため、第２連通部２７ａ、２７ｂは、第１および第２位置決め用孔部１８ａ、１８ｂに干渉しない位置に効率的に設けることができるとともに、第１連通部２５ａ、２５ｂを冷却媒体流路４２の幅方向（矢印Ｃ方向）中央部に形成することが可能となる。従って、金属セパレータ１３の面内の有効スペースを効率的に使用するとともに、冷却媒体を冷却媒体流路４２に沿って均一かつ円滑に供給することができるという効果が得られる。その際、第１連通部２５ａ、２５ｂおよび第２連通部２７ａ、２７ｂは、それぞれの角部にＲ（曲率）が設けられており、冷却媒体の流れを一層に円滑にすることが可能になる。
【００６１】
これにより、燃料電池１０全体の小型化を図るとともに、発電効率の向上が容易に遂行可能になる。しかも、冷却媒体入口連通孔２２ａおよび冷却媒体出口連通孔２２ｂの開口面積を十分に確保することができ、流路抵抗が低減されて冷却媒体の分配性が良好に向上し、冷却効率を有効に維持することが可能になる。
【００６２】
さらに、第１位置決め用孔部１８ａと第２位置決め用孔部１８ｂとは、燃料電池１０の対角位置に設けられている。このため、燃料電池１０全体を確実かつ容易に位置決めすることができる。一方、冷却媒体入口連通孔２２ａと冷却媒体出口連通孔２２ｂとは、略対称形状に構成されている。これにより、冷却媒体流路４２に対する冷却媒体の出入りが同一条件で行われ、冷却媒体流路４２全体にわたって前記冷却媒体を円滑に流動させることが可能になるという利点がある。
【００６３】
なお、第１の実施形態では、燃料電池１０に図示しないノックピンを挿入するための第１および第２位置決め用孔部１８ａ、１８ｂを設けているが、これに限定されるものではなく、例えば、第１金属プレート１４に前記第１および第２位置決め用孔部１８ａ、１８ｂを設ける一方、第２金属プレート１６に突部を設け、該第１および第２位置決め用孔部１８ａ、１８ｂに前記突部を挿入して金属セパレータ１３の位置決めを行うようにしてもよい。
【００６４】
また、各燃料電池１０毎に第１および第２位置決め用孔部１８ａ、１８ｂに挿入される位置決めピンを設け、各位置決め用ピン同士を連結して燃料電池スタック全体の位置決めを行うように構成してもよい。
【００６５】
さらにまた、冷却媒体入口連通孔２２ａおよび冷却媒体出口連通孔２２ｂは、セパレータ面内の有効スペースを効率的に使用するために、他の連通孔の形状やバッファ部の形状等に対応して第１連通部２５ａ、２５ｂと第２連通部２７ａ、２７ｂとを互いにオフセットして設けてもよい。
【００６６】
図８は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池を構成する第１金属プレート１１０の正面図である。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。
【００６７】
第１金属プレート１１０は、冷却媒体入口連通孔１１２ａと冷却媒体出口連通孔１１２ｂとを備えており、前記冷却媒体入口連通孔１１２ａは、略四角形状の第１連通部１１４ａと、この第１連通部１１４ａに一部分を重ね合わせるように連通する略菱形形状の第２連通部１１６ａとを備える。第２連通部１１６ａは、第１連通部１１４ａ側に向かって傾斜する傾斜面１１８ａを有し、冷却媒体を前記第１連通部１１４ａに円滑に供給することができる。
【００６８】
冷却媒体出口連通孔１１２ｂは、同様に、略四角形状の第１連通部１１４ｂと、この第１連通部１１４ｂに一部分を重ね合わせるように連通する略菱形形状の第２連通部１１６ｂとを備える。第２連通部１１６ｂは、第１連通部１１４ｂ側に向かって傾斜する傾斜面１１８ｂを有する。
【００６９】
図９は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池１２０の要部分解斜視図である。燃料電池１２０は、電解質膜（電解質）・電極構造体１２２と、前記電解質膜・電極構造体１２２を挟持する第１および第２セパレータ１２４、１２６とを備える。電解質膜・電極構造体１２２と第１および第２セパレータ１２４、１２６との間には、ガスケット等のシール部材１２８が介装されている。第１および第２セパレータ１２４、１２６は、金属プレートの他、例えば、カーボンプレートで構成してもよい。
【００７０】
第１セパレータ１２４の電解質膜・電極構造体１２２側の面１２４ａには、燃料ガス入口連通孔２４ａと燃料ガス出口連通孔２４ｂとに連通する燃料ガス流路１３０が形成される。この燃料ガス流路１３０は、例えば、矢印Ｂ方向に直線状に延在する複数本の溝部を備える。第１セパレータ１２４の面１２４ａとは反対の面１２４ｂには、冷却媒体入口連通孔２２ａと冷却媒体出口連通孔２２ｂとに連通する冷却媒体流路１３２が形成される。この冷却媒体流路１３２は、例えば、矢印Ｂ方向に延在する複数本の直線流路溝により構成される。
【００７１】
第２セパレータ１２６の電解質膜・電極構造体１２２側の面１２６ａには、酸化剤ガス入口連通孔２０ａと酸化剤ガス出口連通孔２０ｂとに連通する酸化剤ガス流路１３４が設けられる。酸化剤ガス流路１３４は、例えば、矢印Ｂ方向に直線状に延在する複数本の溝部を備える。
【００７２】
このように構成される第３の実施形態では、冷却媒体入口連通孔２２ａおよび冷却媒体出口連通孔２２ｂが、第１連通部２５ａ、２５ｂと第２連通部２７ａ、２７ｂとを備えている。この第１連通部２５ａ、２５ｂは、冷却媒体流路１３２の幅方向（矢印Ｃ方向）中央部に形成される一方、この第２連通部２７ａ、２７ｂは、第１および第２位置決め用孔部１８ａ、１８ｂに干渉しない位置に効率的に設けられる。これにより、所望の冷却効率を維持して燃料電池１２０全体の小型化を図るとともに、発電効率の向上が容易に遂行可能になる等、第１の実施形態と同様の効果が得られる。
【００７３】
【発明の効果】
本発明に係る燃料電池では、冷却媒体入口連通孔および冷却媒体出口連通孔は、冷却媒体流路に連通する略四角形状の第１連通部と、前記第１連通部に高さ方向にオフセットして連通する略四角形状の第２連通部とを備えている。このため、第２連通部は、第１および第２位置決め用孔部に干渉しない位置に効率的に設けることができるとともに、第１連通部は、冷却媒体流路の幅方向中央部に形成することが可能である。
【００７４】
従って、セパレータ面内の有効スペースを効率的に使用するとともに、冷却媒体を冷却媒体流路に沿って均一かつ円滑に供給することができる。これにより、燃料電池全体の小型化を図るとともに、発電効率の向上が容易に遂行可能になる。しかも、冷却媒体入口連通孔および冷却媒体出口連通孔の開口面積を十分に確保することができ、流路抵抗が低減されて冷却媒体の分配性が良好に向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池の要部分解斜視図である。
【図２】前記燃料電池の一部断面説明図である。
【図３】第１金属プレートの一方の面の正面説明図である。
【図４】セパレータ内に形成される冷却媒体流路の斜視説明図である。
【図５】前記第１金属プレートの他方の面の正面説明図である。
【図６】第２金属プレートの一方の面の正面説明図である。
【図７】前記第２金属プレートの他方の面の正面説明図である。
【図８】本発明の第２の実施形態に係る燃料電池を構成する第１金属プレートの正面図である。
【図９】本発明の第３の実施形態に係る燃料電池の要部分解斜視図である。
【図１０】従来技術に係る燃料電池の組み立て方法を説明する斜視図である。
【符号の説明】
１０、１２０…燃料電池１２、１２２…電解質膜・電極構造体
１３…金属セパレータ１４、１６、１１０…金属プレート
１８ａ、１８ｂ…位置決め用孔部２０ａ…酸化剤ガス入口連通孔
２０ｂ…酸化剤ガス出口連通孔２２ａ、１１２ａ…冷却媒体入口連通孔
２２ｂ、１１２ｂ…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
２５ａ、２５ｂ、２７ａ、２７ｂ、１１４ａ、１１４ｂ、１１６ａ、１１６ｂ…連通部
２６…固体高分子電解質膜２８…アノード側電極
３０…カソード側電極３２、１３４…酸化剤ガス流路
３４、４４、４６、９８…入口バッファ部
３６、４８、５０、１００…出口バッファ部
３８ａ〜３８ｃ…酸化剤ガス流路溝
４２、１３２…冷却媒体流路９６、１３０…燃料ガス流路
１０２ａ〜１０２ｃ…燃料ガス流路溝
１１８ａ、１１８ｂ…傾斜面１２４、１２６…セパレータ[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel cell having an electrolyte / electrode structure formed by sandwiching an electrolyte between a pair of electrodes, and alternately stacking the electrolyte / electrode structure and a separator.
[0002]
[Prior art]
For example, a polymer electrolyte fuel cell employs a polymer electrolyte membrane composed of a polymer ion exchange membrane (cation exchange membrane). In this fuel cell, an electrolyte membrane / electrode structure (electrolyte / electrode structure) having an anode electrode and a cathode electrode made of an electrode catalyst and porous carbon, respectively, are disposed on both sides of a solid polymer electrolyte membrane. (Bipolar plate).
[0003]
In this type of fuel cell, a fuel gas (reactive gas) supplied to the anode electrode, for example, a gas mainly containing hydrogen (hereinafter, also referred to as a hydrogen-containing gas) is ionized with hydrogen on the electrode catalyst, It moves to the cathode side via the electrolyte membrane. The electrons generated during that time are taken out to an external circuit and used as DC electric energy. Note that an oxidizing gas (reactive gas), for example, a gas mainly containing oxygen or air (hereinafter, also referred to as an oxygen-containing gas) is supplied to the cathode side electrode. Hydrogen ions, electrons and oxygen react to produce water.
[0004]
By the way, a fuel cell usually forms a fuel cell stack by stacking tens to hundreds of unit cells. At this time, it is necessary to accurately position each unit cell. For example, an operation of inserting a knock pin into a positioning hole formed in the unit cell is performed.
[0005]
For example, in the method for assembling a fuel cell disclosed in Patent Document 1, as shown in FIG. 10, an electrolyte membrane 3 is interposed between carbon plates (separators) 2a and 2b constituting a unit cell 1, and On both surfaces of the electrolyte membrane 3, catalyst electrodes 5a and 5b are laminated with seal plates 4a and 4b interposed.
[0006]
In the unit cell 1, for example, a gas inlet manifold 6a and a gas outlet manifold 6b for oxidizing gas are formed so as to penetrate in the stacking direction (the direction of the arrow X), and the gas inlet manifold 6a and the gas outlet are formed. The manifold 6b penetrates through the gas passage groove 8a formed on the surface of the carbon plate 2a facing the catalyst electrode 5a.
[0007]
In the unit cell 1, for example, a gas inlet manifold 7a for fuel gas and a gas outlet manifold 7b are formed, and the surface of the carbon plate 2b facing the catalyst electrode 5b is provided with the gas inlet manifold 7a and the gas. A gas passage groove 8b communicating with the outlet manifold 7b is formed. At each corner of the unit cell 1, a positioning hole 9 for inserting a knock pin (not shown) is formed.
[0008]
[Patent Document 1]
JP-A-9-7627 (paragraphs [0008] to [0010], FIG. 4)
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
However, in Patent Document 1 described above, gas inlet manifolds 6a and 7a and gas outlet manifolds 6b and 7b are formed around the catalyst electrodes 5a and 5b, and a positioning hole 9 for inserting a knock pin is provided near each corner. Is formed. For this reason, the area of the carbon plates 2a and 2b is considerably increased with respect to the power generation area of the catalyst electrodes 5a and 5b, and there is a problem that the entire unit cell 1 is enlarged. Thus, when stacking a plurality of unit cells 1 to form a fuel cell stack, a problem has been pointed out that power generation efficiency of the fuel cell stack is significantly reduced.
[0010]
The present invention solves this kind of problem, and an object of the present invention is to provide a fuel cell having a simple and compact configuration and capable of effectively improving power generation efficiency.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
In the fuel cell according to the first aspect of the present invention, the separator is formed with the cooling medium passage communicating with the cooling medium inlet communication hole and the cooling medium outlet communication hole and extending in the surface direction of the separator. . The cooling medium inlet communication hole and the cooling medium outlet communication hole have a substantially square first communication part communicating with the cooling medium flow path, and a substantially square second communication part communicating with the first communication part so as to partially overlap the first communication part. And a communication part.
[0012]
At this time, the substantially center position of the first communication portion and the substantially center position of the second communication portion are offset from each other in the height direction. For this reason, for example, the second communication portion can be efficiently provided at a position that does not interfere with the knock hole, the buffer portion, and the like, and the first communication portion is formed at the center in the width direction of the cooling medium flow path. Is possible.
[0013]
Therefore, the effective space within the separator surface can be efficiently used, and the cooling medium can be uniformly and smoothly supplied along the cooling medium flow path. Thus, the size of the entire fuel cell can be reduced, and the power generation efficiency can be easily improved. Moreover, the opening areas of the cooling medium inlet communication hole and the cooling medium outlet communication hole can be sufficiently ensured, the flow path resistance is reduced, and the distribution of the cooling medium is favorably improved.
[0014]
Further, in the fuel cell according to claim 2 of the present invention, the separator is provided with first and second positioning holes for positioning and stacking each other. A coolant inlet communication hole and a first positioning hole are provided adjacent to one end in the surface direction of the separator, and a coolant outlet communication hole and the second positioning hole are provided in the other end in the surface direction of the separator. A hole is provided adjacently.
[0015]
For this reason, the reaction gas inlet communication hole, the reaction gas outlet communication hole, the cooling medium inlet communication hole, the cooling medium outlet communication hole, the first positioning hole and the second positioning hole are efficiently formed in the separator plane. The fuel cell can be formed, and the size of the entire fuel cell can be easily reduced.
[0016]
Furthermore, in the fuel cell according to claim 3 of the present invention, the first positioning hole and the second positioning hole are provided at diagonal positions in the separator plane. Thereby, adjacent separators can be reliably and accurately positioned using the first and second positioning holes. On the other hand, the cooling medium inlet communication hole and the cooling medium outlet communication hole are configured to be substantially symmetrical. Therefore, the cooling medium flows into and out of the cooling medium flow path under the same conditions, and the cooling medium can flow smoothly throughout the entire cooling medium flow path.
[0017]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
FIG. 1 is an exploded perspective view of a main part of a fuel cell 10 according to a first embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a partially sectional explanatory view of the fuel cell 10.
[0018]
The fuel cell 10 is configured by alternately laminating an electrolyte membrane / electrode structure (electrolyte / electrode structure) 12 and a metal separator 13, and the metal separator 13 is a horizontally long first lamination laminated on each other. And second metal plates 14 and 16.
[0019]
As shown in FIG. 1, an oxidizing gas, for example, an oxidizing gas for supplying an oxygen-containing gas, is provided at one end edge of the fuel cell 10 in the direction of the arrow B in communication with the stacking direction of the arrow A. A gas inlet communication hole (reaction gas inlet communication hole) 20a, a cooling medium inlet communication hole 22a for supplying a cooling medium, and a fuel gas outlet communication hole (reaction gas outlet) for discharging a fuel gas, for example, a hydrogen-containing gas. The communication holes 24b are arranged in the direction of arrow C (vertical direction).
[0020]
Between the cooling medium inlet communication hole 22a and the fuel gas outlet communication hole 24b, first positioning holes 18a for positioning the fuel cells 10 in the stacking direction are provided so as to communicate with each other in the direction of arrow A. The cooling medium inlet communication hole 22a has a substantially rectangular first communication part 25a that communicates with a cooling medium flow path 42 described later, and a substantially square second communication part 25a that communicates with the first communication part 25a so as to partially overlap the first communication part 25a. And a communication portion 27a. The first communication part 25a and the second communication part 27a are provided with R (curvature) at respective corners, and have a function of smoothing the flow of the cooling medium.
[0021]
As shown in FIG. 3, the substantially central position P1 of the first communication portion 25a and the substantially central position P2 of the second communication portion 27a are offset from each other in the height direction (the direction of arrow C). The second communication portion 27a is disposed above the first communication portion 25a (in the direction of arrow C1) with a distance H therebetween.
[0022]
The other end portions of the fuel cell 10 in the direction of arrow B communicate with each other in the direction of arrow A to discharge a fuel gas inlet communication hole (reaction gas inlet communication hole) 24a for supplying fuel gas and a cooling medium. Medium outlet communication hole 22b for discharging the oxidizing gas and oxidizing gas outlet communication hole (reaction gas outlet communication hole) 20b for discharging the oxidizing gas are arranged in the direction of arrow C.
[0023]
Between the fuel gas inlet communication hole 24a and the cooling medium outlet communication hole 22b, a second positioning hole 18b for positioning when assembling the fuel cell 10 is provided so as to communicate in the direction of arrow A. Similarly to the cooling medium inlet communication hole 22a, the cooling medium outlet communication hole 22b has a substantially rectangular (having R) first communication portion 25b communicating with a cooling medium flow path 42 described later, and the first communication portion 25b. And a second communication portion 27b having a substantially square shape (having R) communicating with the second communication portion 27b.
[0024]
The substantially central position P1 of the first communication portion 25b and the substantially central position P2 of the second communication portion 27b are offset from each other in the direction of arrow C. The first communication portion 25b is provided at a distance H above the second communication portion 27b (in the direction of arrow C1).
[0025]
In the cooling medium inlet communication hole 22a and the cooling medium outlet communication hole 22b, first communication portions 25a and 25b are formed at the center in the width direction (direction of arrow C) of the cooling medium flow passage 42, and the second communication portion 27a , 27b are provided at positions that do not interfere with the first and second positioning holes 18a, 18b.
[0026]
The first and second positioning holes 18a and 18b are provided at diagonal positions at both ends of the fuel cell 10 in the direction of arrow B, while the cooling medium inlet communication holes 22a and the cooling medium outlet communication holes 22b are substantially symmetric. It is configured into a shape.
[0027]
As shown in FIGS. 1 and 2, the electrolyte membrane / electrode structure 12 includes, for example, a solid polymer electrolyte membrane 26 in which a perfluorosulfonic acid thin film is impregnated with water, and the solid polymer electrolyte membrane 26. An anode-side electrode and a cathode-side electrode 30 to be sandwiched are provided.
[0028]
The anode-side electrode 28 and the cathode-side electrode 30 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 on the surface of the gas diffusion layer. Respectively. The electrode catalyst layers are joined to both surfaces of the solid polymer electrolyte membrane 26 so as to face each other with the solid polymer electrolyte membrane 26 interposed therebetween.
[0029]
As shown in FIGS. 1 and 3, an oxidizing gas flow path 32 is provided on a surface 14 a of the first metal plate 14 on the side of the electrolyte membrane / electrode structure 12. It communicates with the oxidizing gas inlet communication hole 20a and the oxidizing gas outlet communication hole 20b. The oxidizing gas passage 32 has a substantially right-angled triangular inlet buffer portion 34 provided near the oxidizing gas inlet communication hole 20a, and a substantially right-angled triangular shape provided near the oxidizing gas outlet communication hole 20b. An outlet buffer unit 36. The inlet buffer section 34 and the outlet buffer section 36 are configured to be substantially symmetrical with each other, and are provided with a plurality of embosses 34a, 36a.
[0030]
The inlet buffer section 34 and the outlet buffer section 36 communicate with each other via three oxidant gas flow grooves 38a, 38b and 38c. The oxidizing gas channel grooves 38a to 38c extend in the direction of arrow C while meandering in the direction of arrow B in parallel with each other. Specifically, the oxidizing gas flow grooves 38a to 38c are configured as, for example, serpentine flow grooves having two turn-back portions T1 and T2 and reciprocating one and a half in the direction of arrow B.
[0031]
On the surface 14a of the first metal plate 14, a linear seal 40 for covering the oxidizing gas inlet communication hole 20a, the oxidizing gas outlet communication hole 20b and the oxidizing gas flow path 32 to seal the oxidizing gas is provided. .
[0032]
A cooling medium channel 42 is integrally formed on the opposing surfaces 14b and 16a of the first metal plate 14 and the second metal plate 16. As shown in FIG. 4, the cooling medium flow path 42 is provided in the vicinity of both ends of the cooling medium inlet communication hole 22 a in the arrow C direction, for example, substantially right triangle-shaped inlet buffer portions 44 and 46, and the cooling medium outlet communication hole For example, there are provided outlet buffers 48 and 50 having a substantially right triangular shape, which are provided near both sides in the direction of arrow C of 22b.
[0033]
The inlet buffer unit 44 and the outlet buffer unit 50 are configured to be substantially symmetrical with each other, and the inlet buffer unit 46 and the outlet buffer unit 48 are configured to be substantially symmetrical with each other. The entrance buffer section 44, the entrance buffer section 46, the exit buffer section 48, and the exit buffer section 50 are constituted by a plurality of embosses 44a, 46a, 48a and 50a.
[0034]
The first communication portion 25a of the cooling medium inlet communication hole 22a and the inlet buffer portions 44, 46 communicate with each other via the first and second inlet communication flow paths 52, 54, while the first communication portion 25a of the cooling medium outlet communication hole 22b has the first communication portion 25a. The one communication portion 25b and the outlet buffer portions 48 and 50 communicate with each other via the first and second outlet communication flow paths 56 and 58. The first inlet communication channel 52 includes, for example, two flow channels, and the second inlet communication channel 54 includes, for example, six flow channels. Similarly, the first outlet communication channel 56 has six channel grooves, while the second outlet communication channel 58 has two channel grooves.
[0035]
The number of flow paths of the first inlet communication flow path 52 and the number of flow paths of the second inlet communication flow path 54 are not limited to two and six. The same may be set. The same applies to the first and second outlet communication channels 56, 58.
[0036]
The inlet buffer unit 44 and the outlet buffer unit 48 communicate with each other through linear flow grooves 60, 62, 64, and 66 extending in the direction of arrow B, and the inlet buffer unit 46 and the outlet buffer unit 50 They communicate with each other via linear flow grooves 68, 70, 72 and 74 extending in the direction of arrow B. Between the straight flow grooves 66, 68, straight flow grooves 76, 78 are provided extending a predetermined length in the direction of arrow B.
[0037]
The straight channel grooves 60 to 74 communicate with each other via straight channel grooves 80 and 82 extending in the arrow C direction. The straight flow grooves 62 to 78 communicate with the straight flow grooves 84 and 86 extending in the direction of the arrow C, and the straight flow grooves 64, 66 and 76 and the straight flow grooves 68, 70 and 78 communicate with each other through linear flow grooves 88 and 90 intermittently extending in the direction of arrow C.
[0038]
The cooling medium flow path 42 is divided into a first metal plate 14 and a second metal plate 16, and the cooling medium flow path 42 is formed by overlapping the first and second metal plates 14, 16 with each other. It is formed. As shown in FIG. 5, a part of the cooling medium channel 42 is formed on the surface 14b of the first metal plate 14 so as to avoid the oxidizing gas channel 32 formed on the surface 14a side.
[0039]
Although the oxidizing gas channel 32 formed on the surface 14a protrudes from the surface 14b in a convex shape, illustration of the convex portion is omitted for easy understanding of the cooling medium channel 42. Similarly, a portion of the surface 16a shown in FIG. 6 where a later-described fuel gas channel 96 formed on the surface 16b protrudes in a convex shape from the surface 16a is omitted.
[0040]
The surface 14b has an inlet buffer section 44 communicating with the cooling medium inlet communication hole 22a via the two first inlet communication flow paths 52, and two second outlet communication flows communicating with the cooling medium outlet communication hole 22b. An outlet buffer unit 50 is provided which communicates via a path 58.
[0041]
In the inlet buffer 44, the grooves 60a, 62a, 64a and 66a are intermittently and predetermined along the arrow B direction so as to avoid the turn-back portion T2 of the oxidizing gas passage grooves 38a to 38c and the outlet buffer 36. The length is provided. In the outlet buffer section 50, the grooves 68a, 70a, 72a, and 74a are positioned at predetermined positions along the arrow B direction so as to avoid the turn-back portion T1 of the oxidizing gas channel grooves 38a to 38c and the inlet buffer section 34. Provided.
[0042]
The grooves 60a to 78a form part of the linear flow grooves 60 to 78, respectively. The groove portions 80a to 90a constituting the straight flow channel grooves 80 to 90 are respectively provided over predetermined lengths in the direction of arrow C so as to avoid the meandering oxidizing gas flow channel grooves 38a to 38c.
[0043]
As shown in FIG. 6, a part of the cooling medium flow path 42 is formed on the surface 16a of the second metal plate 16 so as to avoid a fuel gas flow path 96 described later. Specifically, an inlet buffer section 46 communicating with the cooling medium inlet communication hole 22a and an outlet buffer section 48 communicating with the cooling medium outlet communication hole 22b are provided.
[0044]
Grooves 68b to 74b constituting the linear flow channels 68 to 74 communicate with the inlet buffer 46 at a predetermined length and intermittently in the direction of arrow B, while the outlet buffer 48 has a straight line. The groove portions 60b to 66b constituting the flow channel grooves 60 to 66 are set in a predetermined shape and communicate with each other. On the surface 16a, grooves 80b to 90b constituting the linear flow grooves 80 to 90 are provided extending in the direction of arrow C.
[0045]
In the cooling medium flow path 42, a part of the linear flow grooves 60 to 78 extending in the direction of arrow B opposes the respective grooves 60a to 78a and 60b to 78b, so that the cross-sectional area of the flow path is changed to another. The main flow path is configured to be twice as large as the portion (see FIG. 4). The straight flow channel grooves 80 to 94 are distributed to the first and second metal plates 14 and 16 by partially overlapping each other. Between the surface 14a of the first metal plate 14 and the surface 16a of the second metal plate 16, a linear seal 40a surrounding the cooling medium flow path 42 is interposed.
[0046]
As shown in FIG. 1, in a state where the first and second metal plates 14 and 16 are stacked, the inlet buffer portions 34 and 46 overlap with each other, and the outlet buffer portions 36 and 48 overlap with each other. I have.
[0047]
As shown in FIG. 7, a fuel gas flow path 96 is provided on a surface 16 b of the second metal plate 16 on the side of the electrolyte membrane / electrode structure 12. The fuel gas flow path 96 includes a substantially right-angled triangular inlet buffer portion 98 provided near the fuel gas inlet communication hole 24a, and a substantially right-angled triangle outlet buffer portion provided near the fuel gas outlet communication hole 24b. 100.
[0048]
The inlet buffer section 98 and the outlet buffer section 100 are configured to be substantially symmetrical with each other, and are provided with a plurality of embosses 98a, 100a, for example, via three fuel gas flow grooves 102a, 102b, and 102c. Communicate. The fuel gas flow grooves 102a to 102c extend in the direction of the arrow C while meandering in the direction of the arrow B. It is configured in a groove. A linear seal 40b surrounding the fuel gas flow path 96 is provided on the surface 16b.
[0049]
As shown in FIGS. 5 and 7, while the inlet buffer portion 44 formed on the surface 14 b of the first metal plate 14 and the outlet buffer portion 100 formed on the surface 16 b of the second metal plate 16 overlap, The outlet buffer 50 of the surface 14b and the inlet buffer 98 of the surface 16b are configured to overlap.
[0050]
The operation of the fuel cell 10 according to the first embodiment configured as described above will be described below.
[0051]
As shown in FIG. 1, a fuel gas such as a hydrogen-containing gas is supplied to the fuel gas inlet communication hole 24a, and an oxidizing gas such as an oxygen-containing gas is supplied to the oxidizing gas inlet communication hole 20a. You. Further, a cooling medium such as pure water, ethylene glycol, or oil is supplied to the cooling medium inlet communication hole 22a.
[0052]
The oxidizing gas is introduced into the oxidizing gas passage 32 of the first metal plate 14 from the oxidizing gas inlet communication hole 20a. In the oxidizing gas passage 32, as shown in FIG. 3, after the oxidizing gas is once introduced into the inlet buffer portion 34, it is dispersed in the oxidizing gas passage grooves 38a to 38c. Therefore, the oxidizing gas moves along the cathode 30 of the electrolyte membrane / electrode structure 12 while meandering through the oxidizing gas flow grooves 38a to 38c.
[0053]
On the other hand, the fuel gas is introduced into the fuel gas passage 96 of the second metal plate 16 from the fuel gas inlet communication hole 24a. In the fuel gas passage 96, as shown in FIG. 7, after the fuel gas is once introduced into the inlet buffer 98, it is dispersed into the fuel gas passage grooves 102a to 102c. Further, the fuel gas meanders through the fuel gas flow grooves 102 a to 102 c and moves along the anode 28 of the electrolyte membrane / electrode structure 12.
[0054]
Therefore, in the electrolyte membrane / electrode structure 12, the oxidizing gas supplied to the cathode 30 and the fuel gas supplied to the anode 28 are consumed by the electrochemical reaction in the electrode catalyst layer, and the power is generated. Is performed.
[0055]
Next, the fuel gas supplied to the anode 28 and consumed is discharged from the outlet buffer unit 100 to the fuel gas outlet communication hole 24b. Similarly, the oxidant gas supplied to and consumed by the cathode 30 is discharged from the outlet buffer 36 to the oxidant gas outlet communication hole 20b.
[0056]
On the other hand, the cooling medium supplied to the cooling medium inlet communication hole 22a is introduced into the cooling medium flow path 42 formed between the first and second metal plates 14 and 16. As shown in FIG. 4, in the cooling medium flow path 42, the first and second inlet communication flow paths 52 and 54 extending from the cooling medium inlet communication hole 22 a in the direction of arrow C, and the inlet buffer 44, The cooling medium is once introduced into 46.
[0057]
The cooling medium introduced into the inlet buffer sections 44 and 46 is dispersed in the linear flow grooves 60 to 66 and 68 to 74 and moves in the horizontal direction (the direction of arrow B), and a part of the cooling medium flows in the linear flow grooves. The grooves 80 to 90 and 76 and 78 are supplied. Therefore, after the cooling medium is supplied over the entire power generation surface of the electrolyte membrane / electrode structure 12, the cooling medium is once introduced into the outlet buffer sections 48, 50 and further through the first and second outlet communication flow paths 56, 58. Is discharged to the cooling medium outlet communication hole 22b.
[0058]
In this case, in the first embodiment, first and second positioning holes 18a and 18b are provided at both ends in the longitudinal direction (arrow B direction) of the fuel cell 10. Therefore, by inserting a not-shown knock pin into the first and second positioning holes 18a and 18b, the electrolyte membrane / electrode structure 12 and the metal separator 13 are positioned with respect to each other and stacked in the direction of arrow A, and the fuel Battery 10 is obtained. Further, by inserting a knock pin (not shown) into the first and second positioning holes 18a and 18b of each fuel cell 10, a fuel cell stack in which a plurality of fuel cells 10 are stacked in the direction of arrow A is assembled. Can be The knock pin is formed of an insulating material such as a resin material.
[0059]
At that time, in the fuel cell 10, the cooling medium inlet communication hole 22 a and the cooling medium outlet communication hole 22 b have the substantially rectangular first communication portions 25 a and 25 b communicating with the cooling medium channel 42 and the first communication portion 25 a , 25b are provided with second communication portions 27a, 27b each having a substantially rectangular shape and communicating with each other while being offset in the direction of arrow C so as to partially overlap with each other.
[0060]
For this reason, the second communication portions 27a and 27b can be efficiently provided at positions not interfering with the first and second positioning holes 18a and 18b, and the first communication portions 25a and 25b are connected to the cooling medium flow path. 42 can be formed at the center in the width direction (arrow C direction). Therefore, the effective space in the plane of the metal separator 13 can be used efficiently, and the cooling medium can be uniformly and smoothly supplied along the cooling medium flow path 42. At this time, the first communication portions 25a and 25b and the second communication portions 27a and 27b are provided with R (curvature) at respective corners, so that the flow of the cooling medium can be further smoothed. .
[0061]
Thus, the size of the entire fuel cell 10 can be reduced, and the power generation efficiency can be easily improved. Moreover, the opening areas of the cooling medium inlet communication hole 22a and the cooling medium outlet communication hole 22b can be sufficiently ensured, the flow path resistance is reduced, the distribution of the cooling medium is improved, and the cooling efficiency is effectively improved. Can be maintained.
[0062]
Further, the first positioning hole 18a and the second positioning hole 18b are provided at diagonal positions of the fuel cell 10. Therefore, the entire fuel cell 10 can be positioned reliably and easily. On the other hand, the cooling medium inlet communication hole 22a and the cooling medium outlet communication hole 22b are formed in a substantially symmetric shape. Thus, there is an advantage that the cooling medium enters and exits the cooling medium flow path 42 under the same conditions, and the cooling medium can flow smoothly throughout the cooling medium flow path 42.
[0063]
In the first embodiment, the first and second positioning holes 18a and 18b for inserting knock pins (not shown) into the fuel cell 10 are provided. However, the present invention is not limited to this. The first and second positioning holes 18a and 18b are provided in the first metal plate 14, while the second metal plate 16 is provided with a protrusion, and the first and second positioning holes 18a and 18b are provided in the first and second positioning holes 18a and 18b. The metal separator 13 may be positioned by inserting a part.
[0064]
Further, a positioning pin inserted into the first and second positioning holes 18a and 18b is provided for each fuel cell 10, and the positioning pins are connected to each other to perform positioning of the entire fuel cell stack. May be.
[0065]
Furthermore, the cooling medium inlet communication hole 22a and the cooling medium outlet communication hole 22b are formed in a shape corresponding to the shape of the other communication hole, the shape of the buffer portion, and the like in order to efficiently use the effective space in the separator surface. The first communication portions 25a and 25b and the second communication portions 27a and 27b may be provided to be offset from each other.
[0066]
FIG. 8 is a front view of a first metal plate 110 constituting a fuel cell 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 a detailed description thereof will be omitted. Also, in the third embodiment described below, a detailed description thereof will be omitted.
[0067]
The first metal plate 110 includes a cooling medium inlet communication hole 112a and a cooling medium outlet communication hole 112b. The cooling medium inlet communication hole 112a is provided with a substantially rectangular first communication part 114a and the first communication part 114a. And a second communication portion 116a having a substantially rhombic shape and communicating with the portion 114a so as to partially overlap with the second communication portion 116a. The second communication part 116a has an inclined surface 118a inclined toward the first communication part 114a, and can supply the cooling medium to the first communication part 114a smoothly.
[0068]
Similarly, the cooling medium outlet communication hole 112b includes a first communication portion 114b having a substantially rectangular shape, and a second communication portion 116b having a substantially rhombic shape and communicating with the first communication portion 114b so as to partially overlap the first communication portion 114b. The second communication portion 116b has an inclined surface 118b that is inclined toward the first communication portion 114b.
[0069]
FIG. 9 is an exploded perspective view of a main part of a fuel cell 120 according to the third embodiment of the present invention. The fuel cell 120 includes an electrolyte membrane (electrolyte) / electrode structure 122, and first and second separators 124 and 126 sandwiching the electrolyte membrane / electrode structure 122. A seal member 128 such as a gasket is interposed between the electrolyte membrane / electrode structure 122 and the first and second separators 124 and 126. The first and second separators 124 and 126 may be formed of, for example, a carbon plate in addition to the metal plate.
[0070]
A fuel gas channel 130 communicating with the fuel gas inlet communication hole 24a and the fuel gas outlet communication hole 24b is formed on the surface 124a of the first separator 124 on the side of the electrolyte membrane / electrode structure 122. The fuel gas passage 130 includes, for example, a plurality of grooves that extend linearly in the direction of arrow B. On a surface 124b opposite to the surface 124a of the first separator 124, a cooling medium passage 132 communicating with the cooling medium inlet communication hole 22a and the cooling medium outlet communication hole 22b is formed. The cooling medium flow path 132 is composed of, for example, a plurality of linear flow grooves extending in the direction of arrow B.
[0071]
An oxidizing gas flow path 134 communicating with the oxidizing gas inlet communication hole 20a and the oxidizing gas outlet communication hole 20b is provided on a surface 126a of the second separator 126 on the side of the electrolyte membrane / electrode structure 122. The oxidizing gas passage 134 includes, for example, a plurality of grooves extending linearly in the direction of arrow B.
[0072]
In the third embodiment configured as described above, the cooling medium inlet communication hole 22a and the cooling medium outlet communication hole 22b include the first communication portions 25a and 25b and the second communication portions 27a and 27b. The first communication portions 25a and 25b are formed at the center in the width direction (direction of arrow C) of the cooling medium flow path 132, while the second communication portions 27a and 27b are formed with the first and second positioning holes. It is efficiently provided at a position that does not interfere with 18a and 18b. Accordingly, the same effects as those of the first embodiment can be obtained, for example, the desired cooling efficiency is maintained, the size of the entire fuel cell 120 is reduced, and the power generation efficiency can be easily improved.
[0073]
【The invention's effect】
In the fuel cell according to the present invention, the cooling medium inlet communication hole and the cooling medium outlet communication hole are offset in the height direction from the substantially rectangular first communication portion communicating with the cooling medium flow path and the first communication portion. And a second communication portion having a substantially square shape and communicating with each other. For this reason, the second communication part can be efficiently provided at a position that does not interfere with the first and second positioning holes, and the first communication part is formed at the center in the width direction of the cooling medium flow path. It is possible.
[0074]
Therefore, the effective space within the separator surface can be efficiently used, and the cooling medium can be uniformly and smoothly supplied along the cooling medium flow path. Thus, the size of the entire fuel cell can be reduced, and the power generation efficiency can be easily improved. Moreover, the opening areas of the cooling medium inlet communication hole and the cooling medium outlet communication hole can be sufficiently ensured, the flow path resistance is reduced, and the distribution of the cooling medium is favorably improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an exploded perspective view of a main part of a fuel cell according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a partially sectional explanatory view of the fuel cell.
FIG. 3 is an explanatory front view of one surface of a first metal plate.
FIG. 4 is an explanatory perspective view of a cooling medium passage formed in a separator.
FIG. 5 is an explanatory front view of the other surface of the first metal plate.
FIG. 6 is an explanatory front view of one surface of a second metal plate.
FIG. 7 is an explanatory front view of the other surface of the second metal plate.
FIG. 8 is a front view of a first metal plate constituting a fuel cell according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 9 is an exploded perspective view of a main part of a fuel cell according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a perspective view illustrating a method of assembling a fuel cell according to the related art.
[Explanation of symbols]
10, 120 ... fuel cell 12, 122 ... electrolyte membrane / electrode structure 13 ... metal separator 14, 16, 110 ... metal plate 18a, 18b ... positioning hole 20a ... oxidant gas inlet communication hole 20b ... oxidant gas outlet Communication holes 22a, 112a Coolant inlet communication holes 22b, 112b Coolant outlet communication holes 24a Fuel gas inlet communication holes 24b Fuel gas outlet communication holes 25a, 25b, 27a, 27b, 114a, 114b, 116a, 116b ... Communication part 26 ... Solid polymer electrolyte membrane 28 ... Anode side electrode 30 ... Cathode side electrode 32,134 ... Oxidant gas flow path 34,44,46,98 ... Inlet buffer part 36,48,50,100 ... Outlet buffer part 38a-38c oxidant gas flow channel grooves 42, 132 ... cooling medium flow channels 96, 130 ... fuel gas flow channels 102a- 02c ... fuel gas passage grooves 118a, 118b ... inclined surfaces 124 and 126 ... separator

Claims

It has an electrolyte / electrode structure composed of an electrolyte sandwiched between a set of electrodes, and alternately stacks the electrolyte / electrode structure and the separator, and penetrates in the stacking direction to form a reaction gas inlet communication hole, A fuel cell in which a gas outlet communication hole, a cooling medium inlet communication hole, and a cooling medium outlet communication hole are formed,
The separator is formed with a cooling medium passage communicating with the cooling medium inlet communication hole and the cooling medium outlet communication hole and extending in a surface direction of the separator.
The cooling medium inlet communication hole and the cooling medium outlet communication hole, a first communication portion of a substantially square shape communicating with the cooling medium flow path,
A substantially square second communication portion that communicates with the first communication portion so as to partially overlap the first communication portion;
With
A fuel cell, wherein a substantially center position of the first communication portion and a substantially center position of the second communication portion are offset from each other in a height direction.

The fuel cell according to claim 1, wherein the separator is provided with first and second positioning holes for positioning and stacking each other,
At one end in the surface direction of the separator, the cooling medium inlet communication hole and the first positioning hole are provided adjacent to each other,
The fuel cell according to claim 1, wherein the other end of the separator in the surface direction is provided with the cooling medium outlet communication hole and the second positioning hole adjacent to each other.

3. The fuel cell according to claim 2, wherein the first positioning hole and the second positioning hole are provided at diagonal positions in a separator plane.
The fuel cell according to claim 1, wherein the cooling medium inlet communication hole and the cooling medium outlet communication hole are substantially symmetrical.