JP4664097B2 - Fuel cell - Google Patents
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Description
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。 The present invention relates to a fuel cell having an electrolyte / electrode structure configured by sandwiching an electrolyte between a pair of electrodes, and alternately stacking the electrolyte / electrode structure and a separator.
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及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。通常、この燃料電池を所定数だけ積層した燃料電池スタックが使用されている。 For example, a solid polymer fuel cell employs a solid polymer electrolyte membrane made of a polymer ion exchange membrane. In this fuel cell, an electrolyte membrane / electrode structure (electrolyte / electrode structure) in which an anode side electrode and a cathode side electrode each made of an electrode catalyst and porous carbon are provided on both sides of a solid polymer electrolyte membrane is separated into a separator. It is configured by being sandwiched between (bipolar plates). Usually, a fuel cell stack in which a predetermined number of the fuel cells are stacked is used.
上記の燃料電池では、セパレータの面内に、アノード側電極に対向して燃料ガスを流すための燃料ガス流路(反応ガス流路)と、カソード側電極に対向して酸化剤ガスを流すための酸化剤ガス流路(反応ガス流路)とが設けられている。また、セパレータ間には、冷却媒体を流すための冷却媒体流路が前記セパレータの面方向に沿って設けられている。 In the above fuel cell, a fuel gas channel (reactive gas channel) for flowing a fuel gas opposite to the anode side electrode and an oxidant gas for flowing the cathode gas facing the cathode side electrode in the plane of the separator. The oxidant gas flow path (reaction gas flow path) is provided. Further, between the separators, a cooling medium flow path for flowing the cooling medium is provided along the surface direction of the separator.
一般的に、燃料電池には、セパレータの積層方向に貫通する流路入口連通孔及び流路出口連通孔が設けられている。そして、燃料ガス、酸化剤ガス及び冷却媒体は、それぞれの流路入口連通孔から燃料ガス流路、酸化剤ガス流路及び冷却媒体流路に供給された後、それぞれの流路出口連通孔に排出されている。 In general, a fuel cell is provided with a channel inlet communication hole and a channel outlet communication hole that penetrate in the stacking direction of the separator. The fuel gas, the oxidant gas, and the cooling medium are supplied to the fuel gas flow path, the oxidant gas flow path, and the cooling medium flow path from the respective flow path inlet communication holes, and then to the respective flow path outlet communication holes. It is discharged.
ところで、冷却媒体流路に供給される冷却媒体中にエアが混在している際、及び燃料電池の組み立て後に冷却媒体を注入する際、エアが前記冷却媒体流路の上方領域に移動して残存するおそれがある。これにより、冷却媒体流路の上部には、冷却機能を有しない空間部が存在してしまい、燃料電池の発電面全体を良好且つ均一に冷却することができないという問題が指摘されている。 By the way, when air is mixed in the cooling medium supplied to the cooling medium flow path and when the cooling medium is injected after the fuel cell is assembled, the air moves to the upper area of the cooling medium flow path and remains. There is a risk. As a result, a space that does not have a cooling function exists in the upper part of the cooling medium flow path, and it is pointed out that the entire power generation surface of the fuel cell cannot be cooled well and uniformly.
そこで、例えば、特許文献1に開示されている燃料電池では、セパレータの両側に冷却媒体入口連通孔と冷却媒体出口連通孔とが設けられるとともに、前記冷却媒体出口連通孔の上方には、空気抜き用連通孔が少なくとも一部を冷却媒体流路の最上部よりも上方に位置して形成されている。
Therefore, for example, in the fuel cell disclosed in
これにより、冷却媒体流路を移動する空気は、空気抜き用連通孔に円滑且つ確実に排出され、前記冷却媒体流路に空気が残存することを有効に阻止することができる。従って、簡単な構成で、燃料電池の冷却効率が良好に向上するという効果が得られる。 Thereby, the air moving through the cooling medium flow path is smoothly and reliably discharged into the air vent communication hole, and it is possible to effectively prevent the air from remaining in the cooling medium flow path. Therefore, the effect of improving the cooling efficiency of the fuel cell with a simple configuration can be obtained.
ところで、燃料電池では、固体高分子電解質膜をカソード側電極及びアノード側電極で挟持するとともに、例えば、前記カソード側電極が前記アノード側電極よりも大きな(又は小さな)表面積に設定された、所謂、段差MEAを採用する場合がある。 By the way, in the fuel cell, the solid polymer electrolyte membrane is sandwiched between the cathode side electrode and the anode side electrode, and for example, the cathode side electrode is set to have a larger (or smaller) surface area than the anode side electrode. A step MEA may be employed.
この種の段差MEAでは、一方のセパレータの電極面側には、前記段差MEAを周回して燃料ガスや酸化剤ガスの漏れを阻止する反応ガスシールと、アノード側電極を囲むようにして固体高分子電解質膜に密接する電極シールとが取り付けられ、所謂、2重シールが構成されている。さらに、一方のセパレータの冷媒面側には、冷却媒体流路をシールするために反応ガスシールに対応して冷媒シールが取り付けられている。 In this type of step MEA, on the electrode surface side of one separator, a reaction gas seal that circulates around the step MEA to prevent leakage of fuel gas and oxidant gas, and a solid polymer electrolyte surrounding the anode side electrode An electrode seal in close contact with the membrane is attached to form a so-called double seal. Further, a refrigerant seal corresponding to the reaction gas seal is attached to the refrigerant surface side of one separator so as to seal the cooling medium flow path.
この場合、反応ガスシールと冷媒シールとは、積層方向に略同一の位置に設けられることにより、互いの積層方向のシール圧を受けるように構成されている。従って、セパレータの冷媒面には、電極シールの積層方向のシール圧を受けるために、裏受け用凸状部が設けられることが好ましい。 In this case, the reactive gas seal and the refrigerant seal are configured to receive the sealing pressure in the stacking direction by being provided at substantially the same position in the stacking direction. Accordingly, it is preferable that a backing convex portion is provided on the coolant surface of the separator in order to receive a sealing pressure in the electrode seal laminating direction.
本発明はこの種の段差MEAを採用する燃料電池において、裏受け用凸状部を利用して、簡単な構成で、冷却媒体流路に空気が残留することを確実に阻止することができ、良好な冷却機能を有することが可能な燃料電池を提供することを目的とする。 In the fuel cell employing this type of step MEA, the present invention can reliably prevent air from remaining in the coolant flow path with a simple configuration by using the convex portion for backing. An object of the present invention is to provide a fuel cell capable of having a good cooling function.
本発明は、電解質の両側に第1電極と該第1電極よりも小さな表面積を有する第2電極とを配設した電解質・電極構造体を備え、前記電解質・電極構造体を第1及び第2金属セパレータで挟持するとともに、積層方向に貫通して反応ガス入口連通孔、反応ガス出口連通孔、冷却媒体入口連通孔及び冷却媒体出口連通孔が形成され、互いに積層される前記第1及び第2金属セパレータ間には、前記冷却媒体入口連通孔と前記冷却媒体出口連通孔とに連通する冷却媒体流路が形成される燃料電池である。 The present invention includes an electrolyte / electrode structure in which a first electrode and a second electrode having a surface area smaller than that of the first electrode are arranged on both sides of the electrolyte, and the electrolyte / electrode structure is a first and a second. The first and second layers are sandwiched between metal separators, and are formed in the stacking direction so as to form a reaction gas inlet communication hole, a reaction gas outlet communication hole, a cooling medium inlet communication hole, and a cooling medium outlet communication hole. In the fuel cell, a cooling medium flow path communicating with the cooling medium inlet communication hole and the cooling medium outlet communication hole is formed between the metal separators.
第1及び第2金属セパレータは、第1及び第2電極に対面する第1及び第2電極面に、屈曲部乃至湾曲部を有する第1及び第2反応ガス流路を設け、且つ前記第1及び第2電極面とは反対の第1及び第2冷媒面には、前記第1及び第2反応ガス流路の裏面側が重なり合って前記冷却媒体流路が形成される。 The first and second metal separators are provided with first and second reaction gas channels having bent portions or curved portions on the first and second electrode surfaces facing the first and second electrodes, respectively, and On the first and second coolant surfaces opposite to the second electrode surface, the back surfaces of the first and second reaction gas channels are overlapped to form the cooling medium channel.
そして、第2電極を囲繞する電極シールを設ける第2金属セパレータは、第2冷媒面に、冷却媒体をシールする冷媒シールと前記電極シールの裏受け用凸状部とを有するとともに、前記冷媒シールと前記裏受け用凸状部との間には、空気抜き通路が設けられ、且つ、前記空気抜き通路の一端は、前記冷却媒体出口連通孔の上方に形成される空気抜き用連通孔に連通し、前記裏受け用凸状部は、前記冷却媒体流路の前記屈曲部乃至湾曲部の上方に位置する領域に切り欠き部を設けている。 And the 2nd metal separator which provides the electrode seal which surrounds the 2nd electrode has the refrigerant seal which seals a cooling medium on the 2nd refrigerant surface, and the convex part for backing of the electrode seal, and the refrigerant seal between the back-receiving convex portion and the air vent passage are provided, and one end of the air vent passage is in communication with the air vent passage which is formed above the coolant discharge passage, the The backing convex portion has a notch in a region located above the bent portion or the curved portion of the cooling medium flow path.
また、本発明は、第2電極を囲繞する電極シールを設ける第2金属セパレータは、第2冷媒面に、冷却媒体をシールする冷媒シールと前記電極シールの裏受け用凸状部とを有するとともに、前記冷媒シールと前記裏受け用凸状部との間には、空気抜き通路が設けられ、且つ、前記空気抜き通路の一端は、前記冷却媒体出口連通孔の上方に形成される空気抜き用連通孔に連通し、前記空気抜き通路の他端は、前記冷却媒体入口連通孔に連通している。 According to the present invention, a second metal separator provided with an electrode seal surrounding the second electrode has a refrigerant seal for sealing a cooling medium and a convex portion for backing the electrode seal on the second refrigerant surface. In addition, an air vent passage is provided between the refrigerant seal and the backing convex portion , and one end of the air vent passage is an air vent communicating hole formed above the cooling medium outlet communicating hole . and communicating the other end of the air vent passage communicates with the coolant supply passage.
さらに、第1及び第2金属セパレータの水平方向一端部の上下方向中央部には、冷却媒体入口連通孔が設けられる一方、前記第1及び第2金属セパレータの水平方向他端部の上下方向中央部には、冷却媒体出口連通孔が設けられるとともに、前記第1及び第2金属セパレータの水平方向他端部の上部には、空気抜き用連通孔が少なくとも一部を前記冷却媒体流路の最上部よりも上方に位置して積層方向に貫通形成されることが好ましい。 Further, on the upper and lower side Mukonaka central portion of the horizontal ends of the first and second metal separators, while the coolant supply passages are provided, and below the other horizontal end portion of said first and second metal separators square the Mukonaka central unit, together with the coolant discharge passage is provided, wherein the upper portion of the other horizontal end portions of the first and second metal separators, wherein the cooling medium flow at least partially air vent passage It is preferable to be formed above the uppermost portion of the path so as to penetrate in the stacking direction.
さらにまた、空気抜き通路の他端近傍には、冷却媒体入口連通孔に近接して絞り部位が設けられることが好ましい。冷却媒体入口連通孔から導入される冷却媒体中の気泡は、絞り部位を通って空気抜き通路に排出される一方、前記冷却媒体は、前記絞り部位の作用下に前記空気抜き通路に移動することを阻止される。このため、冷却媒体は、冷却媒体流路に確実に供給され、電極面を効率的に冷却することができる。 Furthermore, it is preferable that a throttle portion is provided in the vicinity of the other end of the air vent passage in the vicinity of the cooling medium inlet communication hole. Bubbles in the cooling medium introduced from the cooling medium inlet communication hole are discharged to the air vent passage through the throttle portion, while the cooling medium is prevented from moving to the air vent passage under the action of the throttle portion. Is done. For this reason, a cooling medium is reliably supplied to a cooling medium flow path, and can cool an electrode surface efficiently.
本発明では、冷媒シールと裏受け用凸状部との間に空気抜き通路が設けられるとともに、前記裏受け用凸状部は、冷却媒体流路の屈曲部乃至湾曲部の上方に位置する領域に切り欠き部を設けている。その際、冷却媒体流路の屈曲部乃至湾曲部は、第1及び第2反応ガス流路の裏面側が重なり合って形成されており、実際上、横方向に延在する横溝と縦方向に延在する縦溝とが交差するクロス流路を構成している。 In the present invention, an air vent passage is provided between the refrigerant seal and the backing convex portion, and the backing convex portion is located in a region located above the bent portion or the curved portion of the cooling medium flow path. A notch is provided. At this time, the bent portion or the curved portion of the cooling medium flow path is formed by overlapping the back surfaces of the first and second reaction gas flow paths, and in fact extends in the vertical direction with the horizontal groove extending in the horizontal direction. The cross flow path which intersects with the vertical groove is configured.
このため、冷却媒体流路に供給される冷却媒体は、クロス流路で撹拌されて気泡を発生し易いが、この気泡は、前記クロス流路の上方に設けられた切り欠き部から空気抜き通路に円滑且つ迅速に排出される。これにより、冷却媒体流路に気泡が残存することがなく、裏受け用凸状部を利用して簡単な構成で、冷却性能の低下を阻止することができ、良好な冷却機能を有することが可能になる。 For this reason, the cooling medium supplied to the cooling medium flow path is likely to be agitated in the cross flow path to generate air bubbles, but the air bubbles pass from the notch provided above the cross flow path to the air vent passage. It is discharged smoothly and quickly. As a result, bubbles do not remain in the cooling medium flow path, and it is possible to prevent a decrease in cooling performance with a simple configuration using the backing convex portion, and to have a good cooling function. It becomes possible.
また、本発明では、空気抜き通路の一端が空気抜き用連通孔に連通するとともに、前記空気抜き通路の他端が冷却媒体入口連通孔に連通している。従って、冷却媒体入口連通孔から供給される冷却媒体に含まれる気泡は、空気抜き通路に確実に排出されて冷却媒体流路に導入されることを阻止される。これにより、冷却媒体流路には、気泡が除去された冷却媒体を良好に供給することができ、熱交換効率の向上を図ることが可能になる。 In the present invention, one end of the air vent passage communicates with the air vent communication hole, and the other end of the air vent passage communicates with the cooling medium inlet communication hole. Therefore, bubbles contained in the cooling medium supplied from the cooling medium inlet communication hole are prevented from being reliably discharged into the air vent path and introduced into the cooling medium flow path. Accordingly, the cooling medium from which bubbles are removed can be satisfactorily supplied to the cooling medium flow path, and the heat exchange efficiency can be improved.
図1は、本発明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を積層した燃料電池スタック11の一部線断面図である。
FIG. 1 is an exploded perspective view of a main part of a
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、このセパレータ13は、互いに積層される第1及び第2金属プレート(金属セパレータ)14、16を備える。
The
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(反応ガス)、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス入口連通孔20a、冷却媒体を供給するための冷却媒体入口連通孔22a、及び燃料ガス(反応ガス)、例えば、水素含有ガスを排出するための燃料ガス出口連通孔24bが、矢印C方向(鉛直方向)に配列して設けられる。
As shown in FIG. 1, an oxidant gas (reactive gas), for example, an oxygen-containing gas is supplied to one end edge of the
燃料電池10の矢印B方向の他端縁部には、矢印A方向に互いに連通して、燃料ガスを供給するための燃料ガス入口連通孔24a、冷却媒体を排出するための冷却媒体出口連通孔22b、及び酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス出口連通孔20bが、矢印C方向に配列して設けられる。
The other end edge of the
図1及び図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た固体高分子電解質膜(電解質)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(第2電極)28及びカソード側電極(第1電極)30とを備える。アノード側電極28は、カソード側電極30よりも小さな表面積に設定されるとともに、前記カソード側電極30は、固体高分子電解質膜26の全面を覆って設けられる(所謂、段差MEA)。
As shown in FIGS. 1 and 2, the electrolyte membrane /
アノード側電極28及びカソード側電極30は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層(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を前記ガス拡散層の表面に一様に塗布して形成された電極触媒層(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の両面に形成されている。電解質膜・電極構造体12は、全体として略四角形状に構成されるとともに、4つの角部には、各対角位置に対応して外方に突出する4つの突出形状部が設けられる。
The
図1及び図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に向かう面(第1電極面)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。
As shown in FIGS. 1 and 3, an oxidant
入口バッファ部34と出口バッファ部36とは、酸化剤ガス流路32を構成する複数の酸化剤ガス流路溝32aを介して連通している。酸化剤ガス流路32は、第1金属プレート14の面14a内に偶数回、例えば、2回の折り返し部位を有するサーペンタイン流路を構成する。
The
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及び酸化剤ガス流路32を周回して酸化剤ガスのシールを行う平面状シール40aが設けられる。
A
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、16b間には、後述する冷却媒体流路42が一体的に形成される。図4に示すように、第1金属プレート14の面(第1冷媒面)14bには、面14a側に形成される酸化剤ガス流路32の裏側形状として、冷却媒体流路42の一部である流路部42aがサーペンタイン形状に形成される。
Between the
面14bには、冷却媒体入口連通孔22aに入口連絡流路43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に出口連絡流路48を介して連通する出口バッファ部50とが設けられる。
The
第1金属プレート14の面14bには、冷却媒体入口連通孔22a、冷却媒体出口連通孔22b及び冷却媒体流路42を周回して冷却媒体のシールを行う平面状シール40bが設けられる。平面状シール40a、40bは、第1金属プレート14の外周端部を覆って一体的に設けられる第1シール部材40を構成している(図2参照)。
A
図5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に向かう面(第2電極面)16aには、燃料ガス流路52が設けられる。燃料ガス流路52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54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56とを備える。
As shown in FIG. 5, a fuel
入口バッファ部54及び出口バッファ部56は、互いに略対称形状に構成されるとともに、前記入口バッファ部54及び前記出口バッファ部56の近傍には、複数の燃料ガス入口孔部58a及び燃料ガス出口孔部58bが形成される。
The
入口バッファ部54と出口バッファ部56とは、燃料ガス流路52を構成する複数の燃料ガス流路溝52aを介して連通している。燃料ガス流路52は、第2金属プレート16の面16b内に偶数回、例えば、2回の折り返し部位を有するサーペンタイン流路を構成する。
The
図6に示すように、第2金属プレート16の面(第2冷媒面)16bには、面16aに形成される燃料ガス流路52の裏側形状として、冷却媒体流路42の一部である流路部42bがサーペンタイン形状に形成される。面16bには、冷却媒体入口連通孔22aに入口連絡流路60を介して連通する略直角三角形状の入口バッファ部62と、冷却媒体出口連通孔22bに出口連絡流路64を介して連通する略直角三角形状の出口バッファ部66とが設けられる。
As shown in FIG. 6, the surface (second refrigerant surface) 16b of the
図7に示すように、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とが積層される際、酸化剤ガス流路32の裏側と燃料ガス流路52の裏側とが重なり合って一体的に形成される。酸化剤ガス流路32及び燃料ガス流路52は、矢印B方向に一往復半折り返すサーペンタイン流路を構成しており、互いに重なり合うことによって一方の横方向(矢印B方向)に延在する横溝と、縦方向(矢印C方向)に延在する縦溝とが交差するクロス流路68a〜68dが冷却媒体流路42の四隅に対応して形成される。
As shown in FIG. 7, when the
図5に示すように、第2金属プレート16の外周端部を覆って第2シール部材70が一体成形される。第2シール部材70は、面16aに設けられる外側線状シール(反応ガスシール)72と、この外側線状シール72から内方に所定の距離だけ離間する内側線状シール(電極シール)74とを有する。
As shown in FIG. 5, the
外側線状シール72は、電解質膜・電極構造体12の外周を周回しており、図2に示すように、第1金属プレート14に設けられている平面状シール40aに重合する。内側線状シール74は、アノード側電極28を周回して固体高分子電解質膜26の外周縁部に接して燃料ガス流路52を閉塞する(図2参照)。
The outer
第2シール部材70は、図6に示すように、面16bに設けられる線状シール76と、この線状シール76の内側に所定の距離だけ離間して設けられる裏受け用凸状部78とを有する。線状シール76は、冷却媒体流路42を覆って冷却媒体をシールする冷媒シールを構成する。一方、凸状部78は、面16aに設けられた内側線状シール74と積層方向に重なり合う位置に設けられ、前記内側線状シール74の積層方向のシール圧を受ける裏受けとして機能する。
As shown in FIG. 6, the
面16bの上部側において、線状シール76と凸状部78との間には、空気抜き通路80が形成される。第2金属プレート16の矢印B方向一端側上部、具体的には、燃料ガス入口連通孔24aの上方に位置して空気抜き用連通孔81が形成される。この空気抜き用連通孔81は、少なくとも一部が冷却媒体流路42の最上部よりも上方に配置されている。空気抜き通路80の一端は、空気抜き用連通孔81に連通するとともに、前記空気抜き通路80の他端は、冷却媒体入口連通孔22aに連通する。
An
空気抜き通路80を構成する凸状部78には、冷却媒体流路42の少なくともクロス流路68a、68bの上方に位置する領域に切り欠き部82が設けられる。なお、必要に応じてクロス流路68c、68dの上方に位置する領域にも、切り欠き部82を設けてもよい。空気抜き通路80と冷却媒体入口連通孔22aとを連通する連結路84には、前記冷却媒体入口連通孔22aに近接して絞り部位86が設けられる。
The
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
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等の冷却媒体が供給される。
As shown in FIG. 1, an oxidant gas such as an oxygen-containing gas is supplied to the oxidant gas
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、酸化剤ガスが一旦入口バッファ部34に導入された後、複数の酸化剤ガス流路溝32aに分散される。このため、酸化剤ガスは、各酸化剤ガス流路溝38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。
The oxidant gas is introduced into the
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の燃料ガス入口孔部58aを通って燃料ガス流路52に導入される。この燃料ガス流路52では、図5に示すように、燃料ガスが一旦入口バッファ部54に導入された後、複数の燃料ガス流路溝52aに分散される。さらに、燃料ガスは、各燃料ガス流路溝52a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。
On the other hand, the fuel gas is introduced into the fuel
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。
Therefore, in the electrolyte membrane /
次いで、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(図1参照)。同様に、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56から燃料ガス出口孔部58bを通って燃料ガス出口連通孔24bに排出される(図5参照)。
Next, the oxidant gas consumed by being supplied to the
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及び第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7に示すように、冷却媒体入口連通孔22aから矢印C方向に延在する入口連絡流路43、60を介して入口バッファ部44、62に冷却媒体が一旦導入される。
On the other hand, the cooling medium supplied to the cooling medium
入口バッファ部44、62に導入された冷却媒体は、複数の流路部42a、42bに分散されて水平方向(矢印B方向)及び鉛直方向(矢印C方向)に移動する。従って、冷却媒体は、電解質膜・電極構造体12の電極面全面にわたって供給された後、出口バッファ部50、66に一旦導入され、さらに出口連絡流路48、64を介して冷却媒体出口連通孔22bに排出される。
The cooling medium introduced into the
この場合、本実施形態では、電解質膜・電極構造体12が、所謂、段差MEAを構成している。このため、第2金属プレート16の第2冷媒面である面16bには、図6に示すように、冷媒シールである線状シール76と、面16a側に設けられた電極シールである内側線状シール74のシール圧を受けるための裏受け用の凸状部78とが設けられている。
In this case, in this embodiment, the electrolyte membrane /
さらに、第2金属プレート16の上部側では、線状シール76と凸状部78との間に空気抜き通路80が形成されるとともに、前記凸状部78には、冷却媒体流路42のクロス流路68a、68b(図7参照)の上方に位置する領域に切り欠き部82が設けられている。
Further, on the upper side of the
そこで、冷却媒体流路42において、入口バッファ部44、62から流路部42a、42bに冷却媒体が導入されると、実際上、横溝と縦溝とが交差するクロス流路68a、68bで前記冷却媒体が撹拌されて、気泡が発生し易い。この気泡は、冷却媒体流路42の上方に移動し、切り欠き部82から空気抜き通路80に円滑且つ迅速に排出される。次いで、空気抜き通路80に排出された気泡は、この空気抜き通路80に沿って矢印B方向に移動し、空気抜き用連通孔81から外部に排出される。
Therefore, in the cooling
これにより、本実施形態では、簡単な構成で、冷却媒体流路42に気泡が残存することがなく、冷却性能の低下を阻止することができ、良好な冷却媒体機能を有することが可能になるという効果が得られる。
Thereby, in this embodiment, air bubbles do not remain in the cooling
なお、冷却媒体出口連通孔22b側のクロス流路86c、86dの上方に位置する領域に切り欠き部82を設けてもよい。このため、クロス流路68c、68dで発生し易い気泡は、円滑且つ迅速に空気抜き通路80に排出される。
Note that the
さらに、本実施形態では、空気抜き通路80の一端が、連結路84を介して冷却媒体入口連通孔22aに連通している。従って、冷却媒体入口連通孔22aから供給される冷却媒体に含まれる気泡は、連結路84から空気抜き通路80に排出され、この気泡が冷却媒体流路42に導入されることを阻止することができる。これにより、冷却媒体流路42は、気泡が除去された冷却媒体を良好に供給することができ、熱交換効率の向上を図ることが可能になる。
Further, in the present embodiment, one end of the
さらにまた、連結路84には、冷却媒体入口連通孔22aに近接して絞り部位86が設けられている。このため、冷却媒体入口連通孔22aから導入される冷却媒体中の気泡は、絞り部位86を通って空気抜き通路80に排出される一方、前記冷却媒体は、前記絞り部位86の作用下に前記空気抜き通路80に移動することを阻止される。従って、冷却媒体が電極面の冷却に使用されずに空気抜き通路80を通って排出されることを阻止することができ、冷却媒体流路42に前記冷却媒体を確実に供給して前記電極面を効率的に冷却することが可能になる。
Furthermore, a
なお、冷却媒体出口連通孔22bと空気抜き通路80とは、連結路84aを介して連通可能に構成してもよい(図6参照)。これにより、冷却媒体出口連通孔22b近傍に発生する気泡は、連結路84aを通って空気抜き通路80に迅速且つ円滑に排出され、気泡による冷却効率の低下を阻止することができる。
Note that the cooling medium
また、本実施形態では、冷却媒体流路42は、それぞれ矢印B方向に一往復半するサーペンタイン流路の酸化剤ガス流路32及び燃料ガス流路52の裏面側が重なり合って一体的に設けられているが、これに限定されるものではない。例えば、酸化剤ガス流路32及び燃料ガス流路52は、屈曲部乃至湾曲部を有する略U字状流路であってもよい。換言すれば、反応ガス流路内に屈曲部乃至湾曲部が設けられていればよい。空気抜き通路80には、屈曲乃至湾曲部の上方に位置する領域に切り欠き部82を設けることによって、本実施形態と同様の効果が得られるからである。
Further, in the present embodiment, the cooling
10…燃料電池 12…電解質膜・電極構造体
13…金属セパレータ 14、16…金属プレート
14a、14b、16a、16b…面 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…アノード側電極 30…カソード側電極
32…酸化剤ガス流路
34、44、54、62…入口バッファ部
36、50、56、66…出口バッファ部
42…冷却媒体流路 52…燃料ガス流路
70…シール部材 72…外側線状シール
74…内側線状シール 76…線状シール
78…凸状部 80…空気抜き通路
81…空気抜き用連通孔 82…切り欠き部
84…連結路 86…絞り部位
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記第1及び第2金属セパレータは、前記第1及び第2電極に対面する第1及び第2電極面に、屈曲部乃至湾曲部を有する第1及び第2反応ガス流路を設け、且つ前記第1及び第2電極面とは反対の第1及び第2冷媒面には、前記第1及び第2反応ガス流路の裏面側が重なり合って前記冷却媒体流路が形成され、
前記第2電極を囲繞する電極シールを設ける前記第2金属セパレータは、前記第2冷媒面に、冷却媒体をシールする冷媒シールと前記電極シールの裏受け用凸状部とを有するとともに、
前記冷媒シールと前記裏受け用凸状部との間には、空気抜き通路が設けられ、且つ、前記空気抜き通路の一端は、前記冷却媒体出口連通孔の上方に形成される空気抜き用連通孔に連通し、
前記裏受け用凸状部は、前記冷却媒体流路の前記屈曲部乃至湾曲部の上方に位置する領域に切り欠き部を設けることを特徴とする燃料電池。 An electrolyte / electrode structure having a first electrode and a second electrode having a surface area smaller than that of the first electrode on both sides of the electrolyte is provided, and the electrolyte / electrode structure is sandwiched between first and second metal separators In addition, a reaction gas inlet communication hole, a reaction gas outlet communication hole, a cooling medium inlet communication hole, and a cooling medium outlet communication hole are formed penetrating in the stacking direction between the first and second metal separators stacked on each other. Is a fuel cell in which a cooling medium flow path communicating with the cooling medium inlet communication hole and the cooling medium outlet communication hole is formed,
The first and second metal separators are provided with first and second reactive gas flow paths having bent portions or curved portions on first and second electrode surfaces facing the first and second electrodes, and On the first and second refrigerant surfaces opposite to the first and second electrode surfaces, the cooling medium flow path is formed by overlapping the back surfaces of the first and second reaction gas flow paths,
The second metal separator that provides an electrode seal that surrounds the second electrode has a refrigerant seal that seals a cooling medium and a convex portion for backing the electrode seal on the second refrigerant surface,
An air vent passage is provided between the refrigerant seal and the backing convex portion , and one end of the air vent passage communicates with an air vent communication hole formed above the cooling medium outlet communication hole. And
The fuel cell according to claim 1, wherein the backing convex portion is provided with a notch in a region located above the bent portion or the curved portion of the cooling medium flow path.
前記第1及び第2金属セパレータは、前記第1及び第2電極に対面する第1及び第2電極面に、屈曲部乃至湾曲部を有する第1及び第2反応ガス流路を設け、且つ前記第1及び第2電極面とは反対の第1及び第2冷媒面には、前記第1及び第2反応ガス流路の裏面側が重なり合って前記冷却媒体流路が形成され、
前記第2電極を囲繞する電極シールを設ける前記第2金属セパレータは、前記第2冷媒面に、冷却媒体をシールする冷媒シールと前記電極シールの裏受け用凸状部とを有するとともに、
前記冷媒シールと前記裏受け用凸状部との間には、空気抜き通路が設けられ、且つ、前記空気抜き通路の一端は、前記冷却媒体出口連通孔の上方に形成される空気抜き用連通孔に連通し、
前記空気抜き通路の他端は、前記冷却媒体入口連通孔に連通することを特徴とする燃料電池。 An electrolyte / electrode structure having a first electrode and a second electrode having a surface area smaller than that of the first electrode on both sides of the electrolyte is provided, and the electrolyte / electrode structure is sandwiched between first and second metal separators In addition, a reaction gas inlet communication hole, a reaction gas outlet communication hole, a cooling medium inlet communication hole, and a cooling medium outlet communication hole are formed penetrating in the stacking direction between the first and second metal separators stacked on each other. Is a fuel cell in which a cooling medium flow path communicating with the cooling medium inlet communication hole and the cooling medium outlet communication hole is formed,
The first and second metal separators are provided with first and second reactive gas flow paths having bent portions or curved portions on first and second electrode surfaces facing the first and second electrodes, and On the first and second refrigerant surfaces opposite to the first and second electrode surfaces, the cooling medium flow path is formed by overlapping the back surfaces of the first and second reaction gas flow paths,
The second metal separator that provides an electrode seal that surrounds the second electrode has a refrigerant seal that seals a cooling medium and a convex portion for backing the electrode seal on the second refrigerant surface,
Between the coolant seal and the back receiving convex shape portion, the air vent passage are provided, and one end of the air vent passage communicating the air vent passage which is formed above the coolant discharge passage and through,
The other end of the air vent passage communicates with the cooling medium inlet communication hole.
前記第1及び第2金属セパレータの水平方向他端部の上下方向中央部には、前記冷却媒体出口連通孔が設けられるとともに、
前記第1及び第2金属セパレータの水平方向他端部の上部には、前記空気抜き用連通孔が少なくとも一部を前記冷却媒体流路の最上部よりも上方に位置して前記積層方向に貫通形成されることを特徴とする燃料電池。 A fuel cell according to claim 1 or 2, wherein, while the the upper and lower side Mukonaka central portion of the horizontal ends of the first and second metal separators, the coolant supply passages are provided,
Wherein the upper and lower side Mukonaka central portion of the other horizontal end portions of the first and second metal separators, together with the coolant discharge passage is provided,
At the upper part of the other horizontal end of the first and second metal separators, the air vent communication hole is formed at least partially above the uppermost part of the cooling medium flow path and penetrates in the stacking direction. A fuel cell.
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