JP2005268151A - Fuel cell - Google Patents

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貴博 吉田
Takashi Kosaka
高 小阪
Hiroyuki Tanaka
広行 田中
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell capable of uniformly supplying reactive gas to the whole electrode reaction surface with a simple and compact structure, promptly following the changes in a flow rate of the reactive gas, and maintaining stable power generation performance. <P>SOLUTION: In a second seal member 58 integrated with a second metal separator 18, an outer protrusion 60a and an inner protrusion 62a are provided on a surface 18a. A fuel-gas storage chamber 66 whose both ends are blockaded by providing connection protrusions 67a, 67b in specified positions to communicate only with an inlet through hole 55a and an inlet buffer part 54a is formed between the outer protrusion 60a and the inner protrusion 62a. The fuel-gas storage chamber 66 is arranged outside of the electrode reaction surface 64 and stores a part of fuel gas supplied from the inlet through hole 55a to the surface 18a. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、電解質膜の両側に電極を配設した電解質膜・電極構造体を、一対のセパレータにより挟持して積層するとともに、前記セパレータと前記電解質膜・電極構造体との間には、電極反応面に沿って反応ガスを供給する反応ガス流路が設けられる燃料電池に関する。   In the present invention, an electrolyte membrane / electrode structure having electrodes disposed on both sides of an electrolyte membrane is sandwiched and laminated by a pair of separators, and an electrode is interposed between the separator and the electrolyte membrane / electrode structure. The present invention relates to a fuel cell provided with a reaction gas flow path for supplying a reaction gas along a reaction surface.

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・電極構造体を、セパレータ（バイポーラ板）によって挟持する単セルにより構成されている。通常、燃料電池では、この単セルを所定の数だけ積層した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 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 sandwiched between separators (bipolar plates). It is composed of a single cell. Normally, a fuel cell uses a stack in which a predetermined number of single cells are stacked.

この種の燃料電池において、アノード側電極には、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）が供給される一方、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。アノード側電極に供給された燃料ガスは、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。   In this type of fuel cell, the anode side electrode is supplied with a fuel gas (reactive gas), for example, a gas mainly containing hydrogen (hereinafter also referred to as hydrogen-containing gas), while the cathode side electrode An oxidant gas (reactive gas), for example, a gas mainly containing oxygen or air (hereinafter also referred to as oxygen-containing gas) is supplied. In the fuel gas supplied to the anode side electrode, hydrogen is ionized on the electrode catalyst and moves to the cathode side electrode side through the electrolyte membrane. Electrons generated during that time are taken out to an external circuit and used as direct current electric energy.

燃料電池では、各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、発電セル間には、冷却媒体を流すための冷却媒体流路がセパレータの面方向に沿って設けられている。   In the fuel cell, a fuel gas flow path (reaction gas flow path) for flowing a fuel gas opposite to the anode side electrode and an oxidant gas for flowing the oxidant gas opposite to the cathode side electrode in the plane of each separator An oxidizing gas channel (reactive gas channel) is provided. Further, between the power generation cells, a cooling medium flow path for flowing the cooling medium is provided along the surface direction of the separator.

その際、燃料電池の発電性能を高く維持するために、燃料ガス及び酸化剤ガスをそれぞれの電極反応面全体にわたって均一に供給することが望まれている。従って、各反応ガス流路に沿ってそれぞれ所定の反応ガスを円滑且つ均一に流す必要があり、従来から種々の工夫がなされている。   At that time, in order to maintain high power generation performance of the fuel cell, it is desired to supply the fuel gas and the oxidant gas uniformly over the entire electrode reaction surface. Therefore, it is necessary to flow a predetermined reaction gas smoothly and uniformly along each reaction gas flow path, and various devices have been conventionally made.

例えば、特許文献１に開示されている高分子電解質型燃料電池では、図７に示すように、セパレータ板１を備えており、このセパレータ板１には、酸化剤ガスの入口側マニホールド孔２ａ及び出口側マニホールド孔２ｂと、燃料ガスの入口側マニホールド孔３ａ及び出口側マニホールド孔３ｂとが貫通して内部マニホールドを構成している。   For example, the polymer electrolyte fuel cell disclosed in Patent Document 1 includes a separator plate 1 as shown in FIG. 7, and the separator plate 1 has an inlet side manifold hole 2a for oxidizing gas and The outlet side manifold hole 2b, the fuel gas inlet side manifold hole 3a, and the outlet side manifold hole 3b pass through to constitute an internal manifold.

セパレータ板１の中央部には、マニホールド孔２ａ、２ｂを連結するガス流路４が設けられるとともに、このガス流路４は、平行する４本の溝で構成されている。ガス流路４のマニホールド孔２ａ、２ｂと繋がる部分には、サブマニホールド５ａ、５ｂが形成されており、前記ガス流路４及び前記サブマニホールド５ａ、５ｂは、電極反応面６の内部に位置して配設されている。   A gas flow path 4 for connecting the manifold holes 2a and 2b is provided in the central portion of the separator plate 1, and the gas flow path 4 includes four parallel grooves. Sub-manifolds 5a and 5b are formed in portions of the gas flow path 4 connected to the manifold holes 2a and 2b. The gas flow path 4 and the sub-manifolds 5a and 5b are located inside the electrode reaction surface 6. Arranged.

サブマニホールド５ａ、５ｂは、ガス流路４の溝幅よりも大きく構成されており、電極の略全長に沿う長さに設定されている。ガス流路４は、サーペンタイン流路を構成しており、マニホールド孔２ａに供給される酸化剤ガスは、サブマニホールド５ａに供給され、さらにガス流路４に沿って蛇行しながら移行した後、サブマニホールド５ｂからマニホールド孔２ｂに排出されている。   The sub-manifolds 5a and 5b are configured to be larger than the groove width of the gas flow path 4, and are set to a length along the substantially entire length of the electrode. The gas flow path 4 constitutes a serpentine flow path, and the oxidant gas supplied to the manifold hole 2a is supplied to the sub-manifold 5a and further moved while meandering along the gas flow path 4, It is discharged from the manifold 5b to the manifold hole 2b.

これにより、ガス供給の均一化を図り、電極面６内での発電分布をなくして、燃料電池の安定性と高効率化が可能になる、としている。   As a result, the gas supply is made uniform, the power generation distribution in the electrode surface 6 is eliminated, and the stability and efficiency of the fuel cell can be improved.

特開２００３−２８２０９９号公報（図１）JP 2003-282099 A (FIG. 1)

ところで、上記の特許文献１では、電極反応面６内にサブマニホールド５ａ、５ｂ及びガスの流路４が配置されている。このため、前記サブマニホールド５ａに供給された酸化剤ガスの一部は、電極反応面６内で反応に使用され、残余の酸化剤ガスがガス流路４の４本の溝に供給されている。   By the way, in the above-mentioned Patent Document 1, the sub-manifolds 5 a and 5 b and the gas flow path 4 are arranged in the electrode reaction surface 6. For this reason, a part of the oxidant gas supplied to the sub-manifold 5 a is used for the reaction in the electrode reaction surface 6, and the remaining oxidant gas is supplied to the four grooves of the gas flow path 4. .

従って、マニホールド孔２ａから供給される酸化剤ガスの流れが瞬間的に不安定になる際、例えば、高出力（高負荷）が要求される際には、サブマニホールド５ａに供給される酸化剤ガスの流量を即座に増加させることができない。これにより、セパレータ板１に流入される酸化剤ガス流量の変化に迅速に追従することができないという問題が指摘されている。   Therefore, when the flow of the oxidant gas supplied from the manifold hole 2a becomes unstable momentarily, for example, when high output (high load) is required, the oxidant gas supplied to the sub-manifold 5a. The flow rate cannot be increased immediately. Accordingly, a problem has been pointed out that it is impossible to quickly follow the change in the flow rate of the oxidant gas flowing into the separator plate 1.

本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単且つコンパクトな構成で、反応ガスを電極反応面全体に均一に供給するとともに、前記反応ガスの流量の変化に迅速に追従することができ、安定した発電性能を維持することが可能な燃料電池を提供することを目的とする。   The present invention solves this type of problem, and with a simple and compact configuration, the reaction gas can be uniformly supplied to the entire electrode reaction surface, and the change in the flow rate of the reaction gas can be quickly followed. An object of the present invention is to provide a fuel cell capable of maintaining stable power generation performance.

本発明は、電解質膜の両側に電極を配設した電解質膜・電極構造体を、一対のセパレータにより挟持して積層するとともに、前記セパレータと前記電解質膜・電極構造体との間には、電極反応面に沿って反応ガスを供給する反応ガス流路が設けられる燃料電池である。   In the present invention, an electrolyte membrane / electrode structure having electrodes disposed on both sides of an electrolyte membrane is sandwiched and laminated by a pair of separators, and an electrode is interposed between the separator and the electrolyte membrane / electrode structure. The fuel cell is provided with a reaction gas flow path for supplying a reaction gas along the reaction surface.

この燃料電池では、少なくとも一方のセパレータの面内に、電極反応面外に位置して反応ガス流路に連通し且つ反応ガスを貯留可能な反応ガス貯留室が設けられている。   In this fuel cell, a reaction gas storage chamber that is located outside the electrode reaction surface, communicates with a reaction gas flow path, and can store a reaction gas is provided within the surface of at least one separator.

また、一方のセパレータは、金属プレートにシール部材が一体成形された金属セパレータであり、前記一方のセパレータに設けられた前記シール部材は、電解質膜・電極構造体に接する内側凸状シールと、他方のセパレータに接する外側凸状シールとを備えるとともに、前記内側凸状シールと前記外側凸状シールとの間に、前記反応ガス貯留室が設けられることが好ましい。従って、金属プレートに一体成形されたシール部材により反応ガス貯留室が形成されるため、簡単且つコンパクトな構成で、前記反応ガス貯留室を設けることができる。   One separator is a metal separator in which a seal member is integrally formed on a metal plate, and the seal member provided on the one separator includes an inner convex seal in contact with the electrolyte membrane / electrode structure, and the other It is preferable that the reactive gas storage chamber is provided between the inner convex seal and the outer convex seal. Therefore, since the reaction gas storage chamber is formed by the seal member integrally formed with the metal plate, the reaction gas storage chamber can be provided with a simple and compact configuration.

さらに、セパレータには、積層方向に貫通して少なくとも反応ガス連通孔が形成されるとともに、前記反応ガス連通孔は、反応ガス流路及び反応ガス貯留室に連通することが好ましい。このため、反応ガス連通孔を設けた内部マニホールド型セパレータを、簡単且つコンパクトに構成することができる。   Furthermore, it is preferable that the separator is formed with at least a reaction gas communication hole penetrating in the stacking direction, and the reaction gas communication hole communicates with the reaction gas flow path and the reaction gas storage chamber. For this reason, the internal manifold type separator provided with the reaction gas communication hole can be configured simply and compactly.

本発明では、電極反応面外に位置して反応ガス貯留室が設けられるため、反応ガス流路に供給される反応ガスの流量が不足し易い場合には、前記反応ガス貯留室から前記反応ガス流路に前記反応ガスを補給することができる。   In the present invention, since the reaction gas storage chamber is provided outside the electrode reaction surface, when the flow rate of the reaction gas supplied to the reaction gas flow path is likely to be insufficient, the reaction gas is supplied from the reaction gas storage chamber. The reaction gas can be replenished to the flow path.

これにより、電極反応面に供給される反応ガスの流量が瞬間的に不安定になっても、前記反応ガスを迅速且つ確実に補給して前記電極反応面全体に前記反応ガスを均一に供給することが可能になる。従って、外部負荷（出力）の変動にも良好に対応することができ、安定した発電性能を維持することが可能になる。   As a result, even if the flow rate of the reaction gas supplied to the electrode reaction surface becomes instantaneously unstable, the reaction gas is quickly and surely supplied and the reaction gas is uniformly supplied to the entire electrode reaction surface. It becomes possible. Therefore, it is possible to cope with fluctuations in external load (output) satisfactorily and maintain stable power generation performance.

図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池１０を構成する発電セル（単セル）の１２要部分解斜視説明図であり、図２は、複数の発電セル１２を水平方向（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、図１中、ＩＩ−ＩＩ線断面説明図である。   FIG. 1 is an exploded perspective view of 12 main parts of a power generation cell (single cell) constituting a fuel cell 10 according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 shows a plurality of power generation cells 12 in a horizontal direction (in the direction of arrow A). 2 is a cross-sectional explanatory view taken along line II-II in FIG. 1 of the fuel cell 10 stacked in a stack.

図１に示すように、発電セル１２は、電解質膜・電極構造体１４を第１及び第２金属セパレータ１６、１８により挟持して構成される。第１及び第２金属セパレータ１６、１８は、薄板状金属プレート、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、あるいはめっき処理鋼板等により構成される。なお、第１及び第２金属セパレータ１６、１８に代替して、例えば、カーボンセパレータを採用してもよい。   As shown in FIG. 1, the power generation cell 12 is configured by sandwiching an electrolyte membrane / electrode structure 14 between first and second metal separators 16, 18. The 1st and 2nd metal separators 16 and 18 are comprised by a thin plate-shaped metal plate, for example, a steel plate, a stainless steel plate, an aluminum plate, or a plated steel plate. Instead of the first and second metal separators 16 and 18, for example, a carbon separator may be adopted.

発電セル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、冷却媒体を排出するための冷却媒体出口連通孔２２ｂ、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 power generation cell 12 in the direction of arrow B (the 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 outlet communication hole 22b for discharging 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 the direction of arrow C (vertical direction). Are provided in an array.

発電セル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、冷却媒体を供給するための冷却媒体入口連通孔２２ａ、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 power generation cell 12 in the direction of arrow B communicates with each other in the direction of arrow A, a fuel gas inlet communication hole 24a for supplying fuel gas, and a cooling medium inlet communication hole for supplying a cooling medium. 22a and an oxidizing gas outlet communication hole 20b for discharging the oxidizing gas are arranged in the direction of arrow C.

第１金属セパレータ１６の電解質膜・電極構造体１４に向かう一方の面１６ａには、例えば、矢印Ｂ方向に１往復半だけ折り返す蛇行流路である酸化剤ガス流路２６が設けられる。酸化剤ガス流路２６は、第１金属セパレータ１６を波形状に成形することにより設けられる複数の溝部２８を備えるとともに、入口バッファ部３２ａ及び出口バッファ部３２ｂを介して酸化剤ガス入口連通孔２０ａ及び酸化剤ガス出口連通孔２０ｂに連通する。入口バッファ部３２ａ及び出口バッファ部３２ｂは、例えば、エンボス加工やディンプル加工により設けられる。   On one surface 16 a of the first metal separator 16 facing the electrolyte membrane / electrode structure 14, for example, an oxidant gas flow channel 26 that is a meandering flow channel that is folded back and forth in the direction of arrow B by one and a half halves is provided. The oxidant gas flow path 26 includes a plurality of grooves 28 provided by forming the first metal separator 16 into a wave shape, and the oxidant gas inlet communication hole 20a via the inlet buffer part 32a and the outlet buffer part 32b. And the oxidant gas outlet communication hole 20b. The inlet buffer portion 32a and the outlet buffer portion 32b are provided by, for example, embossing or dimple processing.

図３に示すように、第１金属セパレータ１６の他方の面１６ｂには、酸化剤ガス流路２６の形状に対応して冷却媒体流路３４の一部を構成する溝部３４ａが設けられる。溝部３４ａは、エンボス等の入口バッファ部３６ａ及び出口バッファ部３６ｂを介して冷却媒体入口連通孔２２ａ及び冷却媒体出口連通孔２２ｂに連通する。   As shown in FIG. 3, the other surface 16 b of the first metal separator 16 is provided with a groove 34 a that constitutes a part of the cooling medium flow path 34 corresponding to the shape of the oxidant gas flow path 26. The groove portion 34a communicates with the cooling medium inlet communication hole 22a and the cooling medium outlet communication hole 22b via an inlet buffer portion 36a and an outlet buffer portion 36b such as emboss.

第１金属セパレータ１６の面１６ａ、１６ｂには、この第１金属セパレータ１６の外周端部を周回して、第１シール部材４０が射出成形等により一体化される。第１シール部材４０は、例えば、ＥＰＤＭ、ＮＢＲ、フッ素ゴム、シリコンゴム、フロロシリコンゴム、ブチルゴム、天然ゴム、スチレンゴム、クロロプレーン、又はアクリルゴム等のシール材、クッション材、あるいはパッキン材を使用する。   The first seal member 40 is integrated with the surfaces 16a and 16b of the first metal separator 16 by an injection molding or the like around the outer peripheral end portion of the first metal separator 16. The first seal member 40 uses, for example, a seal material such as EPDM, NBR, fluoro rubber, silicon rubber, fluorosilicon rubber, butyl rubber, natural rubber, styrene rubber, chloroplane, or acrylic rubber, a cushion material, or a packing material. To do.

第１シール部材４０は、平坦状に構成されており、図１に示すように、面１６ａでは、酸化剤ガス入口連通孔２０ａ及び酸化剤ガス出口連通孔２０ｂを酸化剤ガス流路２６に連通するための第１平坦シール４０ａを設ける。第１シール部材４０は、図３に示すように、面１６ｂでは、冷却媒体入口連通孔２２ａ及び冷却媒体出口連通孔２２ｂを冷却媒体流路３４に連通するための第２平坦シール４０ｂを設ける。第２平坦シール４０ｂは、第１平坦シール４０ａよりも長尺に構成される（図２参照）。   As shown in FIG. 1, the first seal member 40 is configured to be flat, and on the surface 16 a, the oxidant gas inlet communication hole 20 a and the oxidant gas outlet communication hole 20 b communicate with the oxidant gas flow path 26. A first flat seal 40a is provided. As shown in FIG. 3, the first seal member 40 is provided with a second flat seal 40 b for communicating the cooling medium inlet communication hole 22 a and the cooling medium outlet communication hole 22 b with the cooling medium flow path 34 on the surface 16 b. The second flat seal 40b is configured to be longer than the first flat seal 40a (see FIG. 2).

図４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、矢印Ｂ方向に１往復半だけ折り返す蛇行流路を構成する燃料ガス流路５０が形成される。燃料ガス流路５０は、第２金属セパレータ１８を波形状に成形することにより設けられる複数の溝部５２を備える。燃料ガス流路５０は、入口バッファ部５４ａ及び入口貫通孔５５ａを介して面１８ｂから燃料ガス入口連通孔２４ａに連通するとともに、出口バッファ部５４ｂ及び出口貫通孔５５ｂを介して面１８ｂから燃料ガス出口連通孔２４ｂに連通する。   As shown in FIG. 4, a fuel gas flow path 50 is formed on the surface 18 a of the second metal separator 18 facing the electrolyte membrane / electrode structure 14. The The fuel gas flow path 50 includes a plurality of grooves 52 provided by forming the second metal separator 18 into a wave shape. The fuel gas channel 50 communicates from the surface 18b to the fuel gas inlet communication hole 24a via the inlet buffer portion 54a and the inlet through hole 55a, and from the surface 18b via the outlet buffer portion 54b and the outlet through hole 55b. It communicates with the outlet communication hole 24b.

図１及び図５に示すように、第２金属セパレータ１８の面１８ａとは反対の面１８ｂには、燃料ガス流路５０の形状に対応して冷却媒体流路３４の一部を構成する溝部３４ｂが設けられる。溝部３４ｂは、入口バッファ部５６ａ及び出口バッファ部５６ｂを介して冷却媒体入口連通孔２２ａ及び冷却媒体出口連通孔２２ｂに連通する。   As shown in FIGS. 1 and 5, a groove portion constituting a part of the coolant flow path 34 corresponding to the shape of the fuel gas flow path 50 is formed on the face 18 b opposite to the face 18 a of the second metal separator 18. 34b is provided. The groove 34b communicates with the cooling medium inlet communication hole 22a and the cooling medium outlet communication hole 22b via the inlet buffer part 56a and the outlet buffer part 56b.

第２金属セパレータ１８の面１８ａ、１８ｂには、この第２金属セパレータ１８の外周端部を周回して、第２シール部材５８が一体化される。この第２シール部材５８は、上記の第１シール部材４０と同一の材料で構成される。図４に示すように、第２シール部材５８は、外側突起（外側凸状シール）６０ａと、この外側突起６０ａから内方に所定の距離だけ離間する内側突起（内側凸状シール）６２ａとを、第２金属セパレータ１８の面１８ａに設ける。この内側突起６２ａは、後述する固体高分子電解質膜８０の外周縁部に接して燃料ガス流路５０を閉塞している（図２参照）。   The second seal member 58 is integrated with the surfaces 18 a and 18 b of the second metal separator 18 around the outer peripheral end of the second metal separator 18. The second seal member 58 is made of the same material as the first seal member 40 described above. As shown in FIG. 4, the second seal member 58 includes an outer protrusion (outer convex seal) 60a and an inner protrusion (inner convex seal) 62a spaced inward from the outer protrusion 60a by a predetermined distance. And provided on the surface 18 a of the second metal separator 18. The inner protrusion 62a is in contact with the outer peripheral edge of a solid polymer electrolyte membrane 80, which will be described later, and closes the fuel gas flow path 50 (see FIG. 2).

第２金属セパレータ１８の面１８ａには、電解質膜・電極構造体１４の電極反応面６４の外方に位置して燃料ガス流路５０に連通し、且つ燃料ガスを貯留可能な燃料ガス貯留室（反応ガス貯留室）６６が設けられる。燃料ガス貯留室６６は、外側突起６０ａと内側突起６２ａとの間に設けられるとともに、前記外側突起６０ａと前記内側突起６２ａとを所定の位置で連結する連結突起６７ａ、６７ｂによって両端が閉塞され、入口貫通孔５５ａ及び入口バッファ部５４ａにのみ連通している。   The surface 18a of the second metal separator 18 is located outside the electrode reaction surface 64 of the electrolyte membrane / electrode structure 14 and communicates with the fuel gas flow path 50 and can store fuel gas. (Reactive gas storage chamber) 66 is provided. The fuel gas storage chamber 66 is provided between the outer protrusion 60a and the inner protrusion 62a, and is closed at both ends by connecting protrusions 67a and 67b that connect the outer protrusion 60a and the inner protrusion 62a at a predetermined position. It communicates only with the inlet through hole 55a and the inlet buffer portion 54a.

図５に示すように、第２シール部材５８は、外側突起６０ｂと、この外側突起６０ｂの内方に離間して冷却媒体流路３４を囲繞する内側突起６２ｂとを、第２金属セパレータ１８の面１８ｂに設ける。第２金属セパレータ１８の面１８ｂには、冷却媒体入口連通孔２２ａと入口バッファ部５６ａとの間、及び冷却媒体出口連通孔２２ｂと出口バッファ部５６ｂとの間に、それぞれ複数、例えば、３本の凸状部材６８ａ、６８ｂが一体成形される。   As shown in FIG. 5, the second seal member 58 includes an outer protrusion 60 b and an inner protrusion 62 b that is spaced inward of the outer protrusion 60 b and surrounds the cooling medium flow path 34. Provided on the surface 18b. The surface 18b of the second metal separator 18 has a plurality of, for example, three, respectively, between the cooling medium inlet communication hole 22a and the inlet buffer part 56a and between the cooling medium outlet communication hole 22b and the outlet buffer part 56b. The convex members 68a and 68b are integrally formed.

面１８ｂには、冷却媒体入口連通孔２２ａと第１金属セパレータ１６の入口バッファ部３６ａとの間、及び冷却媒体出口連通孔２２ｂと前記第１金属セパレータ１６の出口バッファ部３６ｂとの間に対応して、それぞれ複数、例えば、５本の凸状部材７０ａ、７０ｂが一体成形される。凸状部材６８ａ、６８ｂ、７０ａ及び７０ｂは、第２シール部材５８の一部を構成しており、これらが第１シール部材４０に圧接することにより入口連結流路７２ａ及び出口連結流路７２ｂが構成される。   The surface 18b corresponds between the cooling medium inlet communication hole 22a and the inlet buffer portion 36a of the first metal separator 16, and between the cooling medium outlet communication hole 22b and the outlet buffer portion 36b of the first metal separator 16. A plurality of, for example, five convex members 70a and 70b are integrally formed. The convex members 68a, 68b, 70a, and 70b constitute a part of the second seal member 58, and the inlet connection flow path 72a and the outlet connection flow path 72b are formed by pressure contact with the first seal member 40. Composed.

冷却媒体入口連通孔２２ａと冷却媒体流路３４とは、入口連結流路７２ａを介して連結されるとともに、冷却媒体出口連通孔２２ｂと前記冷却媒体流路３４とは、出口連結流路７２ｂを介して連結される。   The cooling medium inlet communication hole 22a and the cooling medium flow path 34 are connected via an inlet connection flow path 72a, and the cooling medium outlet communication hole 22b and the cooling medium flow path 34 are connected to the outlet connection flow path 72b. Connected through.

図６に示すように、第１及び第２金属セパレータ１６、１８が互いに重ね合わされることにより、溝部３４ａ、３４ｂを介して冷却媒体流路３４が形成される。この冷却媒体流路３４は、入口バッファ部３６ａ、５６ａから入口連結流路７２ａを介して冷却媒体入口連通孔２２ａに連通する一方、出口バッファ部３６ｂ、５６ｂから出口連結流路７２ｂを介して冷却媒体出口連通孔２２ｂに連通する。   As shown in FIG. 6, the first and second metal separators 16 and 18 are overlapped with each other, whereby the cooling medium flow path 34 is formed through the grooves 34 a and 34 b. The cooling medium flow path 34 communicates with the cooling medium inlet communication hole 22a from the inlet buffer parts 36a and 56a via the inlet connection flow path 72a, while cooling from the outlet buffer parts 36b and 56b via the outlet connection flow path 72b. It communicates with the medium outlet communication hole 22b.

図１に示すように、電解質膜・電極構造体１４は、矢印Ｂ方向両端部の中央部を内方に切り欠いて構成されている。図１及び図２に示すように、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８０と、前記固体高分子電解質膜８０を挟持するカソード側電極８２及びアノード側電極８４とを備える。アノード側電極８４は、カソード側電極８２よりも小さな表面積に設定されている。   As shown in FIG. 1, the electrolyte membrane / electrode structure 14 is configured by notching the center of both end portions in the direction of arrow B inward. As shown in FIGS. 1 and 2, the electrolyte membrane / electrode structure 14 includes, for example, a solid polymer electrolyte membrane 80 in which a perfluorosulfonic acid thin film is impregnated with water, and the solid polymer electrolyte membrane 80 sandwiched therebetween. The cathode side electrode 82 and the anode side electrode 84 are provided. The anode side electrode 84 is set to have a smaller surface area than the cathode side electrode 82.

カソード側電極８２及びアノード側電極８４は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層と、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が前記ガス拡散層の表面に一様に塗布された電極触媒層とを有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜８０の両面に接合されている。   The cathode side electrode 82 and the anode side electrode 84 are composed of a gas diffusion layer made of carbon paper or the like, and an electrode catalyst layer in which porous carbon particles having a platinum alloy supported on the surface are uniformly applied to the surface of the gas diffusion layer. And have. The electrode catalyst layer is bonded to both surfaces of the solid polymer electrolyte membrane 80.

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

先ず、図１に示すように、燃料ガス入口連通孔２４ａに水素含有ガス等の燃料ガスが供給されるとともに、酸化剤ガス入口連通孔２０ａに酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給される。さらに、冷却媒体入口連通孔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, a fuel gas such as a hydrogen-containing gas is supplied to the fuel gas inlet communication hole 24a, and an oxidant gas such as an oxygen-containing gas is supplied to the oxidant gas inlet communication hole 20a. 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、燃料ガスは、図１及び図４に示すように、面１８ｂ側で燃料ガス入口連通孔２４ａから入口貫通孔５５ａを通って面１８ａ側に移動し、入口バッファ部５４ａを通って第２金属セパレータ１８の燃料ガス流路５０に導入される。この燃料ガスは、矢印Ｂ方向に往復移動しながら、電解質膜・電極構造体１４を構成するアノード側電極８４に供給される。なお、面１８ａ側に移動した燃料ガスの一部は、燃料ガス貯留室６６に充填される。   Therefore, as shown in FIGS. 1 and 4, the fuel gas moves from the fuel gas inlet communication hole 24a to the surface 18a side through the inlet through hole 55a on the surface 18b side, and passes through the inlet buffer portion 54a. It is introduced into the fuel gas flow path 50 of the two-metal separator 18. This fuel gas is supplied to the anode side electrode 84 constituting the electrolyte membrane / electrode structure 14 while reciprocating in the arrow B direction. A part of the fuel gas that has moved to the surface 18 a side is filled in the fuel gas storage chamber 66.

一方、酸化剤ガスは、図１に示すように、酸化剤ガス入口連通孔２０ａから入口バッファ部３２ａを通って第１金属セパレータ１６の酸化剤ガス流路２６に導入される。この酸化剤ガスは、矢印Ｂ方向に往復移動しながら、電解質膜・電極構造体１４を構成するカソード側電極８２に供給される。   On the other hand, as shown in FIG. 1, the oxidant gas is introduced into the oxidant gas flow path 26 of the first metal separator 16 from the oxidant gas inlet communication hole 20a through the inlet buffer portion 32a. The oxidant gas is supplied to the cathode electrode 82 constituting the electrolyte membrane / electrode structure 14 while reciprocating in the direction of arrow B.

従って、電解質膜・電極構造体１４では、アノード側電極８４に供給される燃料ガスと、カソード側電極８２に供給される酸化剤ガスとが、電極触媒層内で電気化学反応により消費され、発電が行われる。   Therefore, in the electrolyte membrane / electrode structure 14, the fuel gas supplied to the anode side electrode 84 and the oxidant gas supplied to the cathode side electrode 82 are consumed by an electrochemical reaction in the electrode catalyst layer, thereby generating power. Is done.

次いで、アノード側電極８４に供給されて消費された燃料ガスは、出口バッファ部５４ｂから出口貫通孔５５ｂを通り面１８ｂ側に移動し、燃料ガス出口連通孔２４ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される（図１及び図４参照）。同様に、カソード側電極８２に供給されて消費された酸化剤ガスは、出口バッファ部３２ｂを通り酸化剤ガス出口連通孔２０ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される（図１参照）。   Next, the fuel gas consumed by being supplied to the anode electrode 84 moves from the outlet buffer portion 54b to the surface 18b through the outlet through hole 55b, and is discharged in the direction of arrow A along the fuel gas outlet communication hole 24b. (See FIGS. 1 and 4). Similarly, the oxidant gas consumed by being supplied to the cathode-side electrode 82 passes through the outlet buffer portion 32b and is discharged in the direction of arrow A along the oxidant gas outlet communication hole 20b (see FIG. 1).

また、冷却媒体入口連通孔２２ａに供給された冷却媒体は、図６に示すように、入口連結流路７２ａから入口バッファ部３６ａ、５６ａを経由して第１及び第２金属セパレータ１６、１８間の冷却媒体流路３４に導入される。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体１４を冷却した後、出口連結流路７２ｂから出口バッファ部３６ｂ、５６ｂを通って冷却媒体出口連通孔２２ｂに排出される。   Further, as shown in FIG. 6, the cooling medium supplied to the cooling medium inlet communication hole 22a flows between the first and second metal separators 16 and 18 from the inlet connection channel 72a via the inlet buffer portions 36a and 56a. Is introduced into the cooling medium flow path 34. After cooling the electrolyte membrane / electrode structure 14, the cooling medium is discharged from the outlet connection channel 72 b through the outlet buffer parts 36 b and 56 b to the cooling medium outlet communication hole 22 b.

この場合、本実施形態では、図４に示すように、第２シール部材５８を構成する外側突起６０ａと内側突起６２ａとの間に、連結突起６７ａ、６７ｂを介して両端が閉塞され且つ入口貫通孔５５ａ及び入口バッファ部５４ａにのみ連通する燃料ガス貯留室６６が設けられるとともに、この燃料ガス貯留室６６は、電極反応面６４の外方に配置されている。   In this case, in this embodiment, as shown in FIG. 4, both ends are closed between the outer protrusion 60a and the inner protrusion 62a constituting the second seal member 58 via the connecting protrusions 67a and 67b, and the inlet is penetrated. A fuel gas storage chamber 66 that communicates only with the hole 55 a and the inlet buffer portion 54 a is provided, and the fuel gas storage chamber 66 is disposed outside the electrode reaction surface 64.

このため、入口貫通孔５５ａから面１８ａ側に供給される燃料ガスは、一部が燃料ガス貯留室６６に充填される一方、残余の部分が燃料ガス流路５０に供給されて、この燃料ガス流路５０に沿って移動しながらアノード側電極８４に供給されている。従って、燃料ガス貯留室６６が電極反応面６４の外方に存在するため、通常運転時には、この燃料ガス貯留室６６に充填されている燃料ガスは、アノード側電極８４によって消費されることはない。   For this reason, part of the fuel gas supplied from the inlet through hole 55a to the surface 18a is filled in the fuel gas storage chamber 66, while the remaining part is supplied to the fuel gas flow path 50. The anode side electrode 84 is supplied while moving along the flow path 50. Therefore, since the fuel gas storage chamber 66 exists outside the electrode reaction surface 64, the fuel gas filled in the fuel gas storage chamber 66 is not consumed by the anode electrode 84 during normal operation. .

そこで、例えば、外部負荷（出力）の変動によって燃料ガス流路５０に供給される燃料ガスの流量が不足し易い場合には、燃料ガス貯留室６６に充填されている燃料ガスが、入口バッファ部５４ａから前記燃料ガス流路５０に即座に放出される。   Therefore, for example, when the flow rate of the fuel gas supplied to the fuel gas passage 50 is likely to be insufficient due to fluctuations in the external load (output), the fuel gas filled in the fuel gas storage chamber 66 is transferred to the inlet buffer unit. The fuel gas flow path 50 is immediately released from 54a.

これにより、電極反応面６４に供給される燃料ガスの流量が瞬間的に不安定になっても、燃料ガス貯留室６６から前記燃料ガス流路５０に前記燃料ガスを迅速且つ確実に補給することができ、前記電極反応面６４全体に該燃料ガスを均一に供給することが可能になる。従って、本実施形態では、外部負荷の変動にも良好に対応することができ、安定した発電性能を確実に維持することが可能になるという効果が得られる。   Thereby, even if the flow rate of the fuel gas supplied to the electrode reaction surface 64 becomes unstable momentarily, the fuel gas is quickly and reliably supplied from the fuel gas storage chamber 66 to the fuel gas flow path 50. Thus, the fuel gas can be uniformly supplied to the entire electrode reaction surface 64. Therefore, in this embodiment, it is possible to satisfactorily cope with fluctuations in the external load, and there is an effect that it is possible to reliably maintain stable power generation performance.

しかも、燃料ガス貯留室６６は、第２金属セパレータ１８に一体化された第２シール部材５８を構成する外側突起６０ａと内側突起６２ａとの間に形成されている。このため、第２金属セパレータ１８全体を簡単且つコンパクトに構成することができるとともに、燃料ガス貯留室６６の容量を確実に維持すること可能になる。   Moreover, the fuel gas storage chamber 66 is formed between the outer protrusion 60 a and the inner protrusion 62 a that constitute the second seal member 58 integrated with the second metal separator 18. For this reason, the entire second metal separator 18 can be configured simply and compactly, and the capacity of the fuel gas storage chamber 66 can be reliably maintained.

なお、本実施形態では、反応ガス貯留室として燃料ガス貯留室６６を設ける場合について説明したが、これに限定されるものではなく、酸化剤ガス貯留室を構成してもよい。   In the present embodiment, the case where the fuel gas storage chamber 66 is provided as the reaction gas storage chamber has been described. However, the present invention is not limited to this, and an oxidant gas storage chamber may be configured.

本発明の実施形態に係る燃料電池を構成する発電セルの要部分解斜視説明図である。It is a principal part disassembled perspective explanatory view of the power generation cell which constitutes the fuel cell concerning the embodiment of the present invention. 前記燃料電池の、図１中、ＩＩ−ＩＩ線断面説明図である。FIG. 2 is a sectional view of the fuel cell taken along line II-II in FIG. 1. 前記発電セルを構成する第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 electric power generation cell. 前記発電セルを構成する第２金属セパレータの一方の面からの正面説明図である。It is front explanatory drawing from one surface of the 2nd metal separator which comprises the said electric power generation cell. 前記第２金属セパレータの他方の面からの正面説明図である。It is front explanatory drawing from the other surface of the said 2nd metal separator. 前記第１及び第２金属セパレータ間に形成される冷却媒体流路の斜視説明図である。It is a perspective explanatory view of a cooling medium channel formed between the first and second metal separators. 特許文献１に開示されているセパレータ板の説明図である。It is explanatory drawing of the separator board currently disclosed by patent document 1. FIG.

符号の説明Explanation of symbols

１０…燃料電池 １２…発電セル
１６、１８…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…酸化剤ガス流路
３２ａ、３６ａ、５４ａ、５６ａ…入口バッファ部
３２ｂ、３６ｂ、５４ｂ、５６ｂ…出口バッファ部
３４…冷却媒体流路 ４０、５８…シール部材
５０…燃料ガス流路 ６０ａ、６０ｂ…外側突起
６２ａ、６２ｂ…内側突起 ６４…電極反応面
６６…燃料ガス貯留室 ６７ａ、６７ｂ…連結突起
６８ａ、６８ｂ、７０ａ、７０ｂ…凸状部材
７２ａ…入口連結流路 ７２ｂ…出口連結流路
８０…固体高分子電解質膜 ８２…カソード側電極
８４…アノード側電極

DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Fuel cell 12 ... Power generation cell 16, 18 ... 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 ... Oxidant gas flow path 32a, 36a, 54a, 56a ... Inlet buffer part 32b, 36b, 54b, 56b ... Outlet buffer part 34 ... Cooling medium flow path 40, 58 ... Seal member 50 ... Fuel gas flow path 60a, 60b ... Outer protrusion 62a, 62b ... Inner protrusion 64 ... Electrode reaction surface 66 ... Fuel gas storage chamber 67a, 67b ... Connection protrusion 68a, 68b, 70a, 70b ... Convex member 72a ... Inlet connection flow Path 72b ... Outlet connection flow path 80 ... Solid polymer electrolyte membrane 82 ... Cathode side electrode 84 ... Anode side electrode

Claims (3)

電解質膜の両側に電極を配設した電解質膜・電極構造体を、一対のセパレータにより挟持して積層するとともに、前記セパレータと前記電解質膜・電極構造体との間には、電極反応面に沿って反応ガスを供給する反応ガス流路が設けられる燃料電池であって、
少なくとも一方のセパレータの面内には、前記電極反応面外に位置して前記反応ガス流路に連通し且つ前記反応ガスを貯留可能な反応ガス貯留室が設けられることを特徴とする燃料電池。 An electrolyte membrane / electrode structure having electrodes disposed on both sides of the electrolyte membrane is sandwiched and stacked between a pair of separators, and an electrode reaction surface is provided between the separator and the electrolyte membrane / electrode structure. A fuel cell provided with a reaction gas flow path for supplying a reaction gas,
A fuel cell characterized in that a reaction gas storage chamber is provided in the surface of at least one of the separators so as to be located outside the electrode reaction surface, communicate with the reaction gas flow path, and store the reaction gas. 請求項１記載の燃料電池において、前記一方のセパレータは、金属プレートにシール部材が一体成形された金属セパレータであり、
前記一方のセパレータに設けられた前記シール部材は、前記電解質膜・電極構造体に接する内側凸状シールと、
他方のセパレータに接する外側凸状シールと、
を備えるとともに、
前記内側凸状シールと前記外側凸状シールとの間に、前記反応ガス貯留室が設けられることを特徴とする燃料電池。 2. The fuel cell according to claim 1, wherein the one separator is a metal separator in which a seal member is integrally formed with a metal plate,
The seal member provided on the one separator is an inner convex seal in contact with the electrolyte membrane / electrode structure;
An outer convex seal in contact with the other separator;
With
The fuel cell, wherein the reaction gas storage chamber is provided between the inner convex seal and the outer convex seal. 請求項１又は２記載の燃料電池において、前記セパレータには、積層方向に貫通して少なくとも反応ガス連通孔が形成されるとともに、
前記反応ガス連通孔は、前記反応ガス流路及び前記反応ガス貯留室に連通することを特徴とする燃料電池。

The fuel cell according to claim 1 or 2, wherein at least a reaction gas communication hole is formed in the separator so as to penetrate in the stacking direction,
The fuel cell, wherein the reaction gas communication hole communicates with the reaction gas flow path and the reaction gas storage chamber.

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