JP2009048775A - Fuel battery - Google Patents

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雅俊 飯尾
Shinichi Miyazaki
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    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel battery capable of reducing the pressure loss of a reactant gas and improving power generation efficiency. <P>SOLUTION: The fuel battery includes a reactant gas intake side gas channel 2, and a reactant gas discharge side gas channel 3. A reactant gas supplied to the reactant gas intake side gas channel 2 is discharged to the reactant gas discharge side gas channel 3 via a gas diffusion layer 30. The reactant gas discharge side gas channel 3 is composed of a reactant gas discharge side groove formed on the side of a rib 4 that is not in contact with an electrode assembly 20 and a plurality of communicating holes 14 in contact with the electrode assembly 20 that communicate with the reactant gas discharge side groove. The part of the communicating hole 14 that communicate with the gas diffusion layer 30 is smaller in width than the part of the communicating hole 14 that communicate with the reactant gas discharge side groove. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、燃料電池に関し、特に、反応ガスの圧損を低減するとともに発電効率を向上することができる燃料電池に関する。   The present invention relates to a fuel cell, and more particularly to a fuel cell that can reduce pressure loss of a reaction gas and improve power generation efficiency.

燃料電池は、燃料ガス及び酸化剤ガスを電極触媒層において効率よく反応させるために、陽極側及び陰極側にガスの流路溝を設けている。   The fuel cell is provided with gas flow channel grooves on the anode side and the cathode side in order to efficiently react the fuel gas and the oxidant gas in the electrode catalyst layer.

このような燃料電池は、電極触媒層の陰極側にセパレータにより形成されたガス流路溝を、酸化剤ガス入り口穴と連通する上流部と、酸化剤ガス出口穴と連通する下流部とに分離させる。これにより、燃料電池に供給される酸化剤ガスが、上流部から拡散層を経由して下流部に流れる。そして、スリットを有する板部を、拡散層と空気極触媒層側のセパレータとの間に、上流部の中心に対向する位置に配置する。このスリットは、上流部の幅よりも開口幅が狭く形成され、上流部の断面積を、一般的な燃料電池と同様に、発電に必要な量の空気を流すことができる大きさとする（特許文献１参照）。
特開２００５−１９０９８３号公報 In such a fuel cell, the gas flow channel groove formed by the separator on the cathode side of the electrode catalyst layer is separated into an upstream portion communicating with the oxidant gas inlet hole and a downstream portion communicating with the oxidant gas outlet hole. Let Thereby, the oxidant gas supplied to the fuel cell flows from the upstream part to the downstream part via the diffusion layer. And the board part which has a slit is arrange | positioned in the position which opposes the center of an upstream part between the diffusion layer and the separator of the air electrode catalyst layer side. This slit is formed with an opening width narrower than the width of the upstream portion, and the cross-sectional area of the upstream portion is sized so that the amount of air necessary for power generation can flow as in a general fuel cell (patent) Reference 1).
JP 2005-190983 A

しかしながら、特許文献１に記載のような構造では、ガス流路の開口部が狭くなるため、開口部を通過する酸化剤ガスに圧損が発生してしまう。そのため、酸化剤ガスの供給圧力を増加しなければ燃料電池内の酸素分圧が減少してしまう。従って、発電効率の向上効果が抑制されてしまう。   However, in the structure as described in Patent Document 1, since the opening of the gas flow path becomes narrow, pressure loss occurs in the oxidant gas that passes through the opening. Therefore, unless the supply pressure of the oxidant gas is increased, the oxygen partial pressure in the fuel cell is reduced. Therefore, the effect of improving the power generation efficiency is suppressed.

また、酸素分圧の減少を避けるため、コンプレッサ等を用いて酸化剤ガスの供給圧力を増加してもよいが、コンプレッサによる負荷が増加して、発電システムとしての効率の向上効果が抑制されてしまう。   In order to avoid a decrease in oxygen partial pressure, the supply pressure of the oxidant gas may be increased using a compressor or the like. However, the load on the compressor increases, and the efficiency improvement effect as a power generation system is suppressed. End up.

本発明は、このような従来の問題点に着目してなされたものであり、燃料電池における反応ガスの圧損を低減できるとともに発電効率を向上できる燃料電池を提供することを目的とする。   The present invention has been made paying attention to such conventional problems, and an object of the present invention is to provide a fuel cell that can reduce the pressure loss of the reaction gas in the fuel cell and improve the power generation efficiency.

本発明の一実施態様によると、固体高分子型の電解質膜（５０）の陽極及び陰極にそれぞれ備えられた電極触媒層（４０）と、電極触媒層（４０）のそれぞれに備えられ、反応ガスを供給するとともに、電極触媒層（４０）において発電された電力を集電するガス拡散層（３０）と、によって構成される電極接合体（２０）と、溝部と溝部を隔てるリブ（４）とが形成され、溝部によって反応ガスの流路を構成するセパレータ（１）と、を備え、セパレータ（１）と電極接合体（２０）とを交互に積層した燃料電池において、セパレータ（１）の溝部と、リブ（４）と、電極接合体（２０）とによって囲まれた空間によって、反応ガス流路を構成し、反応ガス流路は、反応ガスが供給される系と同一空間を形成する反応ガス吸気側ガス流路（２）と、反応ガスが排出される系と同一空間を形成し、反応ガスが供給される系と別空間を形成する反応排気側ガス流路（３）と、を備え、反応ガス吸気側ガス流路（２）に供給された反応ガスは、ガス拡散層（３０）を通過して反応ガス排気側ガス流路（３）へと排出され、反応ガス排気側ガス流路は（３）、リブ（４）の、電極接合体（３０）に接しない側に形成された反応ガス排気側溝部と、電極接合体（２０）に接し、反応ガス排気側溝部に連通する複数の連通孔（１４）と、から構成され、（カソード排気側ガス流路のみに設けられた）連通孔（１４）は、ガス拡散層（３０）と連通する部分の幅が、反応ガス排出側溝部の幅よりも小さく構成されていることを特徴とする燃料電池。   According to one embodiment of the present invention, the electrode catalyst layer (40) provided on the anode and the cathode of the solid polymer electrolyte membrane (50) and the electrode catalyst layer (40), respectively, are provided as reactive gases. A gas diffusion layer (30) that collects the electric power generated in the electrode catalyst layer (40), an electrode assembly (20) constituted by the groove, and a rib (4) separating the groove from each other In the fuel cell in which the separators (1) and the electrode assemblies (20) are alternately stacked, the separators (1) and the separators (1) are formed by the grooves. The reaction gas flow path is constituted by a space surrounded by the rib (4) and the electrode assembly (20), and the reaction gas flow path is a reaction that forms the same space as the system to which the reaction gas is supplied. Gas intake side gas flow path ( ) And a reaction exhaust side gas flow path (3) that forms the same space as the system from which the reaction gas is discharged and forms a separate space from the system to which the reaction gas is supplied. The reaction gas supplied to the passage (2) passes through the gas diffusion layer (30) and is discharged to the reaction gas exhaust side gas flow path (3). (4) of the reaction gas exhaust side groove formed on the side not in contact with the electrode assembly (30) and a plurality of communication holes (14) in contact with the electrode assembly (20) and communicating with the reaction gas exhaust side groove. The communication hole (14) (provided only in the cathode exhaust gas path) has a width that is smaller than the width of the reaction gas discharge groove, in communication with the gas diffusion layer (30). A fuel cell, characterized in that it is configured.

本発明によると、酸化剤ガスの流路となるカソード排気側ガス流路に、カソード排気側ガス流路よりも幅が狭いカソード連通孔によって、ガス拡散層内でのガスの対流を促進して、電極触媒層での酸素分圧の減少を最低限とすることができる。従って、酸化剤ガスの圧損を低減しつつ、ガス対流を促進するので、燃料電池の発電の効率を向上させることができる。   According to the present invention, the cathode exhaust side gas flow path serving as the oxidant gas flow path promotes gas convection in the gas diffusion layer by the cathode communication hole having a narrower width than the cathode exhaust side gas flow path. In addition, a decrease in oxygen partial pressure in the electrode catalyst layer can be minimized. Accordingly, gas convection is promoted while reducing the pressure loss of the oxidant gas, so that the power generation efficiency of the fuel cell can be improved.

以下に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

燃料電池は、燃料が有する化学エネルギを直接電気エネルギに変換する装置である。燃料電池のうち固体高分子型と呼ばれる燃料電池は、電解質膜を挟んで設けられた一対の陽極及び陰極の電極触媒層を備える。この電極触媒層の陽極に水素を含有する燃料ガスを供給し、陰極に酸素を含有する酸素剤ガスを供給することによって、これら一対の電極触媒層で生じる電気化学反応を利用して電極から電気エネルギを取り出すことができる。なお、陽極及び陰極に備えられる触媒には、一般的に白金等の金属が用いられる。   A fuel cell is a device that directly converts chemical energy of fuel into electrical energy. Among the fuel cells, a fuel cell called a solid polymer type includes a pair of anode and cathode electrode catalyst layers provided with an electrolyte membrane interposed therebetween. By supplying a hydrogen-containing fuel gas to the anode of the electrode catalyst layer and supplying an oxygen-containing gas containing oxygen to the cathode, an electric reaction can be performed from the electrode using the electrochemical reaction that occurs in the pair of electrode catalyst layers. Energy can be extracted. In addition, metals, such as platinum, are generally used for the catalyst with which an anode and a cathode are equipped.

この電解質膜では、次の化学式に示すような電気化学反応が行われる。   In this electrolyte membrane, an electrochemical reaction as shown in the following chemical formula is performed.

陽極側：Ｈ2 → ２Ｈ+ ＋ ２ｅ- （１）
陰極側：２Ｈ＋ ＋ ２ｅ- ＋ （１／２）Ｏ2 → Ｈ2Ｏ （２）
このように、陽極側では化学式（１）のように水素分子から電子が放出されることで発電が行われる。陰極側では化学式（２）のように水素と酸素とが反応して水が生成される。 Anode side: H 2 → 2H + + 2e − (1)
Cathode: 2H + + 2e - + ( 1/2) O 2 → H 2 O (2)
Thus, on the anode side, power is generated by releasing electrons from hydrogen molecules as shown in chemical formula (1). On the cathode side, hydrogen and oxygen react to generate water as in chemical formula (2).

燃料電池に燃料ガスを供給する方法には、水素貯蔵装置から直接供給する方法、水素を含有する燃料を改質し、この改質した水素含有ガスを供給する方法等が用いられる。水素貯蔵装置としては、高圧ガスタンク、液化水素タンク、水素吸蔵合金タンク等が用いられる。また、水素を含有する燃料には、天然ガス、メタノール、ガソリン等が用いられる。   As a method of supplying the fuel gas to the fuel cell, a method of directly supplying from the hydrogen storage device, a method of reforming a fuel containing hydrogen, and supplying the reformed hydrogen-containing gas are used. As the hydrogen storage device, a high-pressure gas tank, a liquefied hydrogen tank, a hydrogen storage alloy tank, or the like is used. Moreover, natural gas, methanol, gasoline, etc. are used for the fuel containing hydrogen.

また、陰極に供給する酸素剤ガスには、一般的に空気が用いられる。   Air is generally used as the oxygen agent gas supplied to the cathode.

一般的な固体高分子型の燃料電池は、前述のように電解質膜を挟んで設けられた一対の電極触媒層を備えている。そして、表面に溝を持つ板材（セパレータ）によってこの電極触媒層を狭持する。   A general polymer electrolyte fuel cell includes a pair of electrode catalyst layers provided with an electrolyte membrane interposed as described above. And this electrode catalyst layer is pinched by the board | plate material (separator) which has a groove | channel on the surface.

この溝は、一方が反応ガスの供給側に連通し、他方は閉塞している。すなわち、この溝と電極触媒層とによって構成される空間が、反応ガスの流路となる。また、反応ガスの流路は、陽極側（カソード側）と、陰極側（アノード側）とで独立して構成され、電極触媒層を挟んだ両極に、それぞれ酸化剤ガスと燃料ガスとが供給されるように構成されている。また、反応が済んだガスは排出口に排出される。   One of the grooves communicates with the reaction gas supply side, and the other is closed. That is, the space formed by the groove and the electrode catalyst layer becomes a reaction gas flow path. The reaction gas flow path is configured independently on the anode side (cathode side) and the cathode side (anode side), and oxidant gas and fuel gas are supplied to both electrodes sandwiching the electrode catalyst layer, respectively. It is configured to be. In addition, the gas after the reaction is discharged to the discharge port.

また、セパレータには、燃料電池を適切な反応温度とするための冷却水の流路が、反応ガス流路とは独立して構成されている。   Further, the separator is configured with a cooling water flow path for bringing the fuel cell to an appropriate reaction temperature independently of the reaction gas flow path.

なお、一般的に、セパレータと電極触媒層の間には、ＧＤＬ（Ｇａｓ Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ Ｌａｙｅｒ：ガス拡散層）と呼ばれる導電性の多孔体が設けられる。このＧＤＬは、電極触媒層への反応ガスの供給と、電極触媒層によって発生した電力の集電とを同時に行う目的で設けられる。   In general, a conductive porous body called GDL (Gas Diffusion Layer) is provided between the separator and the electrode catalyst layer. The GDL is provided for the purpose of simultaneously supplying the reaction gas to the electrode catalyst layer and collecting power generated by the electrode catalyst layer.

固体高分子型燃料電池は、排出物が無害な水だけであること、高効率であることから、発電用途だけではなく、自動車等の動力源として利用されはじめている。しかしながら、自動車用途ではモータ等が大きな出力を要求するため、燃料電池には出力密度の向上が求められる。   Solid polymer fuel cells are starting to be used not only for power generation but also as a power source for automobiles and the like because their discharge is only harmless water and high efficiency. However, since a motor or the like demands a large output in automotive applications, the fuel cell is required to have an improved output density.

しかし、出力密度を大きくして燃料電池の発電を行うと、ＧＤＬの存在によって反応ガスの拡散の抵抗が生じる。この抵抗によって、電極触媒層の酸素分圧が低下して化学反応に損失が生じるため、発電の効率が低下してしまう。   However, when the power density is increased and the fuel cell generates power, the presence of GDL causes resistance to diffusion of the reaction gas. This resistance reduces the oxygen partial pressure of the electrode catalyst layer and causes a loss in the chemical reaction, thus reducing the power generation efficiency.

また、固体高分子型燃料電池では、発電を行うと化学反応により水が生成される。この生成された水の排出が十分に行われなかった場合には、燃料電池内のガス流路等が閉塞する場合がある。このガス流路の閉塞によって、電極触媒層に酸素が供給されにくくなり、やはり発電効率が低下してしまう。   In a polymer electrolyte fuel cell, water is generated by a chemical reaction when power is generated. If the generated water is not sufficiently discharged, the gas flow path in the fuel cell may be blocked. Occlusion of this gas flow path makes it difficult for oxygen to be supplied to the electrode catalyst layer, which also reduces power generation efficiency.

そこで、本発明は、以下のような構成により、酸素分圧の低下を防止するとともに、生成された水を充分に排出できる燃料電池を構成する。   Therefore, the present invention constitutes a fuel cell that can prevent the decrease in oxygen partial pressure and sufficiently discharge the generated water by the following configuration.

＜第１実施例＞
図１は、本発明の第１の実施例の燃料電池のセパレータ１の説明図である。なお、図１（Ａ）はセパレータ１のカソード側の上面図を示し、図１（Ｂ）はＡ−Ａ断面図を示す。 <First embodiment>
FIG. 1 is an explanatory diagram of a separator 1 of a fuel cell according to a first embodiment of the present invention. 1A is a top view of the separator 1 on the cathode side, and FIG. 1B is a cross-sectional view taken along line AA.

セパレータ１には、カソード吸気側ガス流路２、カソード排気側ガス流路３、カソードリブ４、アノードガス流路５、アノードリブ６、冷却水流路７、カソード吸気口８、アノード吸気口９、冷却水供給口１０、カソード排気口１１、アノード排気口１２、冷却水排出口１３及びカソード連通孔１４が構成されている。   The separator 1 includes a cathode intake side gas passage 2, a cathode exhaust side gas passage 3, a cathode rib 4, an anode gas passage 5, an anode rib 6, a cooling water passage 7, a cathode intake port 8, an anode intake port 9, and cooling water. A supply port 10, a cathode exhaust port 11, an anode exhaust port 12, a cooling water discharge port 13, and a cathode communication hole 14 are configured.

本実施例の燃料電池は、ＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｒｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ：電極接合体）２０と、セパレータ１と、セパレータ１を隔離する隔離板１７とが交互に積層されて構成される。これによって、一端が反応ガスの供給系に連通し他端が閉塞しているガス流路と、一端が反応ガスの排出系に連通し他端が閉塞しているガス流路と、が交互に配された構成（Ｉｎｔｅｒｄｉｇｉｔａｔｅｄ（ＩＤ）構造）が形成される。   The fuel cell of the present embodiment is configured by alternately laminating MEA (Membrane Electrode Assembly) 20, the separator 1, and the separators 17 that separate the separator 1. As a result, a gas flow path in which one end communicates with the reaction gas supply system and the other end is closed, and a gas flow path in which one end communicates with the reaction gas discharge system and the other end is closed alternately. An arranged configuration (Interdigitated (ID) structure) is formed.

ＭＥＡ２０は、電解質膜５０のアノード側及びカソード極のそれぞれに電極触媒層４０を備える。また、電極触媒層４０のアノード側及びカソード側のそれぞれにＧＤＬ３０を備える。   The MEA 20 includes an electrode catalyst layer 40 on each of the anode side and the cathode electrode of the electrolyte membrane 50. Further, the GDL 30 is provided on each of the anode side and the cathode side of the electrode catalyst layer 40.

カソード吸気口８、アノード吸気口９、冷却水供給口１０、カソード排気口１１、アノード排気口１２及び冷却水排出口１３は、それぞれ、セパレータ１を貫通する空隙により構成される。ＩＤ構造によりセパレータ１が積層されることによって、積層方向にカソード吸気口８、アノード吸気口９、冷却水供給口１０、カソード排気口１１、アノード排気口１２及び冷却水排出口１３が構成される。   The cathode intake port 8, the anode intake port 9, the cooling water supply port 10, the cathode exhaust port 11, the anode exhaust port 12, and the cooling water discharge port 13 are each configured by a gap that penetrates the separator 1. By laminating the separator 1 with the ID structure, a cathode intake port 8, an anode intake port 9, a cooling water supply port 10, a cathode exhaust port 11, an anode exhaust port 12, and a cooling water discharge port 13 are configured in the stacking direction. .

カソード吸気側ガス流路２、カソード排気側ガス流路３、カソードリブ４及びアノードガス流路５は、セパレータ１に形成された溝により構成される。ＩＤ構造によりセパレータ１が積層されることによって、これら各流路が構成される。   The cathode intake side gas flow path 2, the cathode exhaust side gas flow path 3, the cathode rib 4, and the anode gas flow path 5 are constituted by grooves formed in the separator 1. Each of these flow paths is configured by stacking the separators 1 with an ID structure.

図１（Ａ）に示すように、カソード吸気側ガス流路２は、カソードリブ４によって分割されている。例えば図１に示す例では、カソード吸気側ガス流路２は四つに分割されている。このカソード吸気側ガス流路２は、カソード吸気口８側に開口しており、カソード吸気口８の反対側では閉塞している。   As shown in FIG. 1A, the cathode intake side gas flow path 2 is divided by cathode ribs 4. For example, in the example shown in FIG. 1, the cathode intake side gas flow path 2 is divided into four. The cathode intake side gas flow path 2 is open on the cathode intake port 8 side and is closed on the opposite side of the cathode intake port 8.

カソードリブ４の要所には、カソード連通孔１４が設けられている。カソード連通孔１４は、カソードリブ４の短辺に対して略中央に設けられた略円形の反応ガス流路である。例えば図１に示す例では、カソード連通孔１４は、各カソードリブ４に等間隔に１０個設けられている。   A cathode communication hole 14 is provided at a key point of the cathode rib 4. The cathode communication hole 14 is a substantially circular reaction gas channel provided substantially at the center with respect to the short side of the cathode rib 4. For example, in the example shown in FIG. 1, ten cathode communication holes 14 are provided in each cathode rib 4 at equal intervals.

このカソード連通孔１４は、一方はＧＤＬ３０に接触し、他方はカソード排気側ガス流路３を構成する溝部（カソード排気側溝部３）に連通している。このカソード排気側ガス流路３は、カソード排気口１１側に開口しており、カソード排気口１１の反対側では閉塞している。   One of the cathode communication holes 14 is in contact with the GDL 30, and the other communicates with a groove portion (cathode exhaust side groove portion 3) constituting the cathode exhaust side gas flow path 3. The cathode exhaust side gas flow path 3 opens to the cathode exhaust port 11 side and is closed on the opposite side of the cathode exhaust port 11.

カソード吸気口８から供給される酸化剤ガスは、カソードリブ４によって分割されたカソード吸気側ガス流路２に供給される。カソード吸気側ガス流路２に供給された酸化剤ガスは、ＧＤＬ３０を通過してカソード連通孔１４に流れる。そして、カソード連通孔１４からカソード排気側ガス流路３へと流れる。カソード排気側ガス流路３へ流れた酸化剤ガスは、カソード排気口１１から排気される。   The oxidant gas supplied from the cathode intake port 8 is supplied to the cathode intake side gas flow path 2 divided by the cathode rib 4. The oxidant gas supplied to the cathode intake side gas flow path 2 passes through the GDL 30 and flows into the cathode communication hole 14. Then, it flows from the cathode communication hole 14 to the cathode exhaust gas passage 3. The oxidant gas that has flowed into the cathode exhaust gas passage 3 is exhausted from the cathode exhaust port 11.

一方、アノード側において、アノード吸気口９から供給された燃料ガスは、アノードガス流路５の供給側からＧＤＬ３０を通過してアノードガス流路５の排気側へと流れる。そして、アノード排気口１１から排気される。   On the other hand, on the anode side, the fuel gas supplied from the anode intake port 9 flows from the supply side of the anode gas passage 5 through the GDL 30 to the exhaust side of the anode gas passage 5. Then, the air is exhausted from the anode exhaust port 11.

また、冷却水供給口１０から供給された冷却水は、冷却水流路７を通過して、冷却水排出口１３へと流れる。なお、冷媒には、水、エチレングリコールまたはフロン等が用いられる。   The cooling water supplied from the cooling water supply port 10 passes through the cooling water flow path 7 and flows to the cooling water discharge port 13. Note that water, ethylene glycol, or chlorofluorocarbon is used as the refrigerant.

図１（Ｂ）に示すＡ−Ａ断面図において矢印で示したように、ＧＤＬ３０のカソード側において、カソード吸気側ガス流路２から、カソードリブ４に設けられたカソード連通孔１４へと、酸化剤ガスが流れる。なお、図示しないが、ＧＤＬ３０のアノード側では、アノードガス流路５において、燃料ガスが吸気側から排気側に流れる。   As indicated by an arrow in the AA cross-sectional view shown in FIG. 1 (B), on the cathode side of the GDL 30, from the cathode intake side gas flow path 2 to the cathode communication hole 14 provided in the cathode rib 4, an oxidizing agent is provided. Gas flows. Although not shown, the fuel gas flows from the intake side to the exhaust side in the anode gas flow path 5 on the anode side of the GDL 30.

ＭＥＡ２０は、電解質膜５０、電極触媒層４０及びＧＤＬ３０によって構成されている。電極触媒層４０には、ＧＤＬ３０を介して、酸化剤ガス及び燃料ガスがそれぞれ供給される。電極触媒層４０においてこれらの反応ガスが反応することによって発電が行われる。発電された電力は、導電性の部材であるＧＤＬ３０及びセパレータ１を介して取り出される。   The MEA 20 includes an electrolyte membrane 50, an electrode catalyst layer 40, and a GDL 30. An oxidant gas and a fuel gas are respectively supplied to the electrode catalyst layer 40 via the GDL 30. Electric power is generated by the reaction of these reaction gases in the electrode catalyst layer 40. The generated electric power is taken out through the GDL 30 and the separator 1 which are conductive members.

セパレータ１により構成されるＩＤ構造によって、燃料電池に供給された反応ガスは、吸気側のガス流路から排気側のガス流路にＧＤＬ３０内を対流して移動する。   Due to the ID structure constituted by the separator 1, the reaction gas supplied to the fuel cell moves convectively in the GDL 30 from the intake side gas passage to the exhaust side gas passage.

また、反応により生成した水は、対流して移動する反応ガスと共に、ガス流路の排気側へと押し出される。これにより、燃料電池から生成水が排出されるので、燃料電池の効率が向上する。   Moreover, the water produced | generated by reaction is extruded to the exhaust side of a gas flow path with the reaction gas which moves by convection. Thereby, since generated water is discharged from the fuel cell, the efficiency of the fuel cell is improved.

なお、ＩＤ構造のガス流路においては、ＧＤＬ３０内で反応ガスの対流が生じる領域を拡大すると発電効率が向上する。そのために、ガス流路の幅を狭くして、反応ガスの対流域となるセパレータ１のリブ部の幅を広げるように構成することが好ましい。しかし、そのように構成した場合には、ガス流路の断面積が小さくなるので、反応ガスがガス流路を流れるときの圧損が増加してしまう。そのため、結果として触媒層の酸素分圧が低下して、発電の効率の向上効果が相殺されてしまう。   Note that, in the gas flow path having the ID structure, the power generation efficiency is improved by expanding the region where the convection of the reaction gas occurs in the GDL 30. Therefore, it is preferable that the width of the rib portion of the separator 1 serving as a convection region of the reaction gas is increased to reduce the width of the gas flow path. However, in such a configuration, since the cross-sectional area of the gas flow path becomes small, the pressure loss when the reaction gas flows through the gas flow path increases. Therefore, as a result, the oxygen partial pressure of the catalyst layer is reduced, and the effect of improving the power generation efficiency is offset.

そこで、本実施例では、ＩＤ構造によるガス流路について、図１に示すような特徴的な構成を設けた。具体的には、酸化剤ガスの排気側のみにカソード連通孔１４を備えた。そして、このカソード連通孔１４に関して、ＧＤＬ３０と連通する部分の幅（ＧＤＬ３０との接触面積）を、カソード吸気側ガス流路２の幅（面積）よりも狭く（小さく）構成する。また、カソード連通孔１４のＧＤＬ３０から離れた部分の幅（面積）を、カソード吸気側ガス流路２の幅（面積）と略同一とする。または、カソード連通孔１４のＧＤＬ３０から離れた部分の幅（面積）をカソード吸気側ガス流路２の幅（面積）よりも広く（大きく）する。   Therefore, in this embodiment, a characteristic configuration as shown in FIG. 1 is provided for the gas flow path having the ID structure. Specifically, the cathode communication hole 14 was provided only on the exhaust side of the oxidant gas. The cathode communication hole 14 is configured such that the width (area of contact with the GDL 30) of the portion communicating with the GDL 30 is narrower (smaller) than the width (area) of the cathode intake side gas flow path 2. Further, the width (area) of the portion of the cathode communication hole 14 away from the GDL 30 is made substantially the same as the width (area) of the cathode intake side gas flow path 2. Alternatively, the width (area) of the portion of the cathode communication hole 14 away from the GDL 30 is made wider (larger) than the width (area) of the cathode intake side gas flow path 2.

すなわち、酸化剤ガスの排気側では、カソード連通孔１４によってＧＤＬ３０と連通する部分の幅が狭くなり、カソード排気側ガス流路３の幅が大きくなるように構成されている。   That is, on the exhaust side of the oxidizing gas, the width of the portion communicating with the GDL 30 is narrowed by the cathode communication hole 14 and the width of the cathode exhaust side gas flow path 3 is increased.

カソード連通孔１４をこのような構成とすることによって、カソード排気側ガス流路３付近のＧＤＬ３０内では、酸化剤ガスが直ちに排気されることがない。そのため、ＧＤＬ３０内で、酸化剤ガスの対流が生じる。これによって、より多くの反応ガス（すなわち酸素）が電極触媒層４０に供給されるので、カソード連通孔１４付近の電極触媒層の酸素分圧が減少することなく、発電の効率を向上させることができる。   By configuring the cathode communication hole 14 as described above, the oxidant gas is not immediately exhausted in the GDL 30 in the vicinity of the cathode exhaust gas path 3. Therefore, oxidant gas convection occurs in the GDL 30. As a result, more reactive gas (that is, oxygen) is supplied to the electrode catalyst layer 40, so that the oxygen partial pressure of the electrode catalyst layer in the vicinity of the cathode communication hole 14 is not reduced, and the power generation efficiency can be improved. it can.

なお、本発明では、カソード吸気側ガス流路２は、従来の燃料電池と同様に、連通孔のような絞りとなる構成を備えていない。そのため、カソード吸気側ガス流路２付近のＧＤＬ３０内では、ガス対流を促進する効果はない。しかし、カソード吸気側ガス流路２付近では、新たな酸化剤ガス供給されているので酸化剤ガス中の酸素濃度は充分に高い。従って、反応ガスの対流が弱くても分子拡散により十分な酸素が触媒層に供給される。すなわち、カソード吸気側ガス流路２では、連通孔のような絞りとなる構成を備えていなくでも、発電効率が低下することはない。   In the present invention, the cathode intake-side gas flow path 2 does not have a configuration that becomes a restriction like a communication hole, as in the conventional fuel cell. Therefore, there is no effect of promoting gas convection in the GDL 30 in the vicinity of the cathode intake side gas flow path 2. However, since a new oxidant gas is supplied in the vicinity of the cathode intake side gas flow path 2, the oxygen concentration in the oxidant gas is sufficiently high. Therefore, even if the convection of the reaction gas is weak, sufficient oxygen is supplied to the catalyst layer by molecular diffusion. That is, the cathode intake-side gas flow path 2 does not decrease the power generation efficiency even if it is not provided with a configuration such as a communication hole.

図２は、本実施例の燃料電池の発電状態における、電極触媒層４０とＧＤＬ３０との界面の酸素分圧の実験結果の一例を示す表である。   FIG. 2 is a table showing an example of an experimental result of oxygen partial pressure at the interface between the electrode catalyst layer 40 and the GDL 30 in the power generation state of the fuel cell of the present embodiment.

図２に示す表において、横軸はＧＤＬ３０内の位置を示し、縦軸は酸素分圧を示す。この図２に示す表は、ＧＤＬ３０内のガスの流れ方向の位置に対応して、カソード吸気側ガス流路２付近、カソードリブ４付近及びカソード連通孔１４付近それぞれについての酸素分圧が示されている。   In the table shown in FIG. 2, the horizontal axis indicates the position in the GDL 30, and the vertical axis indicates the oxygen partial pressure. The table shown in FIG. 2 shows the partial pressures of oxygen in the vicinity of the cathode intake side gas flow path 2, the vicinity of the cathode rib 4, and the vicinity of the cathode communication hole 14, corresponding to the position in the gas flow direction in the GDL 30. Yes.

この図２に示すように、カソード連通孔１４付近では、カソードリブ４付近よりも酸素分圧は若干低くなっているが、カソード吸気側ガス流路２付近では、カソードリブ４付近よりも酸素分圧は高くなっている。従って、燃料電池のカソード吸気側ガス流路２付近では、電極触媒層に十分な酸素が供給される。   As shown in FIG. 2, the oxygen partial pressure in the vicinity of the cathode communication hole 14 is slightly lower than that in the vicinity of the cathode rib 4, but the oxygen partial pressure in the vicinity of the cathode intake side gas flow path 2 is higher than that in the vicinity of the cathode rib 4. It is high. Accordingly, sufficient oxygen is supplied to the electrode catalyst layer in the vicinity of the cathode intake side gas flow path 2 of the fuel cell.

以上のように、本発明の第１の実施例の燃料電池では、酸化剤ガスの排気側となるカソード排気側ガス流路３にのみ、カソード排気側ガス流路３よりも幅が狭いカソード連通孔１４を設けた。このカソード連通孔１４によって、ＧＤＬ３０内でのガスの対流を促進して、電極触媒層４０での酸素分圧の減少を最低限とすることができる。   As described above, in the fuel cell according to the first embodiment of the present invention, only the cathode exhaust side gas passage 3 on the exhaust side of the oxidant gas has a cathode communication narrower than the cathode exhaust side gas passage 3. Hole 14 was provided. This cathode communication hole 14 can promote gas convection in the GDL 30 and minimize the decrease in oxygen partial pressure in the electrode catalyst layer 40.

なお、カソード吸気側ガス流路２については、連通孔のような幅の狭い部分はないので、酸化剤ガスの圧損は低く抑えられる。   In addition, since there is no narrow part like a communicating hole about the cathode intake side gas flow path 2, the pressure loss of oxidant gas can be suppressed low.

従って、酸化剤ガスの圧損を低減しつつ、ＧＤＬ３０内のガス対流を促進するので、燃料電池の発電の効率を向上させることができる。   Therefore, since the gas convection in the GDL 30 is promoted while reducing the pressure loss of the oxidant gas, the power generation efficiency of the fuel cell can be improved.

＜第２実施例＞
次に、本発明の第２の実施例について説明する。 <Second embodiment>
Next, a second embodiment of the present invention will be described.

図３は、本発明の第２の実施例の燃料電池のセパレータ１の断面図である。   FIG. 3 is a sectional view of the separator 1 of the fuel cell according to the second embodiment of the present invention.

図３に示すセパレータ１は、断面が波型形状のカソード側導電板１５と、断面が波型形状のアノード側導電板１６と、隔離板１７とによって構成される。導電材からなる隔離板１７は、カソード側導電板１５及びアノード側導電板１６に挟持されている。   The separator 1 shown in FIG. 3 includes a cathode-side conductive plate 15 having a corrugated cross section, an anode-side conductive plate 16 having a corrugated cross section, and a separator plate 17. The separator 17 made of a conductive material is sandwiched between the cathode side conductive plate 15 and the anode side conductive plate 16.

カソード側導電板１５とアノード側導電板１６とは、例えば、切削や鋳造等によって溝部を形成する。なお、第３実施例で後述するようにプレス加工によって形成することが望ましい。   The cathode side conductive plate 15 and the anode side conductive plate 16 form a groove by, for example, cutting or casting. In addition, it is desirable to form by press work so that it may mention later in 3rd Example.

これらカソード側導電板１５とアノード側導電板１６と隔離板１７とは、例えば圧着や溶接等によって一体に構成される。または、導電性の接着剤等によって固着してもよい。   The cathode side conductive plate 15, the anode side conductive plate 16, and the separator plate 17 are integrally configured by, for example, pressure bonding or welding. Alternatively, it may be fixed with a conductive adhesive or the like.

このカソード側導電板１５の断面凹部（隔離板１７に向かって略コの字形状に窪んでいる部分）とＭＥＡ２０とによって囲まれる空間が、カソードの吸気側ガス流路であるカソード吸気側ガス流路２を構成する。   A space surrounded by the cross-sectional recess of the cathode-side conductive plate 15 (a portion recessed in a substantially U-shape toward the separator plate 17) and the MEA 20 is the cathode intake-side gas flow that is the intake-side gas flow path of the cathode. A path 2 is formed.

また、カソード側導電板１５の断面凸部（隔離板１７から離れて略コの字形状に***している部分）と隔離板１７とによって囲まれる空間が、カソードの排気側ガス流路であるカソード排気側ガス流路３を構成する。すなわち、カソード側導電板１５の断面凸部がカソード排気側溝部を構成する。   In addition, a space surrounded by the convex section in the cathode side conductive plate 15 (a portion protruding from the separator plate 17 in a substantially U shape) and the separator plate 17 is an exhaust side gas flow path of the cathode. A cathode exhaust gas passage 3 is formed. That is, the cross-sectional convex portion of the cathode side conductive plate 15 constitutes the cathode exhaust side groove portion.

なお、カソード側導電板１５とアノード側導電板１６とは、ガイド等によって保持される。このガイドは、カソード吸気口８、アノード吸気口９、冷却水供給口１０、カソード排気口１１、アノード排気口１２及び冷却水排出口１３を備えている。そして、反応ガス及び冷却水が各ガス流路に連通するように構成されている。   The cathode side conductive plate 15 and the anode side conductive plate 16 are held by a guide or the like. The guide includes a cathode intake port 8, an anode intake port 9, a cooling water supply port 10, a cathode exhaust port 11, an anode exhaust port 12, and a cooling water discharge port 13. The reaction gas and the cooling water are configured to communicate with each gas flow path.

このカソード排気側ガス流路３には、第１の実施例と同様に、ＧＤＬ３０に連通する略円形のカソード連通孔１４が設けられている。   As in the first embodiment, the cathode exhaust gas passage 3 is provided with a substantially circular cathode communication hole 14 communicating with the GDL 30.

また、カソード吸気側ガス流路２を構成する部分と対向する部分であって、アノード側導電板１６の断面凹部（隔離板１７に向かって略コの字形状に窪んでいる部分）とＧＤＬ３０とによって囲まれる空間が、アノードの吸気側ガス流路となるアノードガス流路５を構成する。   Further, a portion facing the portion constituting the cathode intake side gas flow path 2 and having a cross-sectional concave portion (portion recessed in a substantially U shape toward the separator plate 17) of the anode side conductive plate 16 and the GDL 30 A space surrounded by the anode gas flow path 5 serves as the intake-side gas flow path of the anode.

また、カソード排気側ガス流路３を構成する部分と対向する部分であって、カソード側導電板１５の断面凸部（隔離板１７から離れて略コの字形状に***している部分）と隔離板１７とによって囲まれる空間が、冷却水の流路となる冷却水流路７を構成する。   Further, a portion facing the portion constituting the cathode exhaust side gas flow path 3, and a cross-sectional convex portion of the cathode side conductive plate 15 (a portion protruding from the separator plate 17 in a substantially U shape) A space surrounded by the separator plate 17 constitutes the cooling water channel 7 serving as a cooling water channel.

カソード連通孔１４は、カソード側導電板１５の断面凸部の要部に、例えばドリルによる切削加工によって形成される。これによって、前述の第１の実施例と同様に、ＧＤＬ３０と連通する部分の幅が、カソード吸気側ガス流路２の幅よりも狭く構成される。すなわち、カソード側導電板１５の厚み分だけ、カソード排気側ガス流路３（カソード排気側溝部）の幅よりも狭いカソード連通孔１４が構成される。   The cathode communication hole 14 is formed in a main part of the convex section of the cross section of the cathode side conductive plate 15 by cutting with a drill, for example. As a result, as in the first embodiment described above, the width of the portion communicating with the GDL 30 is configured to be narrower than the width of the cathode intake side gas flow path 2. That is, the cathode communication hole 14 narrower than the width of the cathode exhaust side gas flow path 3 (cathode exhaust side groove) is formed by the thickness of the cathode side conductive plate 15.

なお、第１の実施例と同様に、カソード連通孔１４のＧＤＬ３０から離れた部分の幅、すなわち、カソード排気側ガス流路３（カソード排気側溝部）は、カソード吸気側ガス流路２の幅と略同一、または、大きく構成する。   As in the first embodiment, the width of the cathode communication hole 14 away from the GDL 30, that is, the cathode exhaust gas channel 3 (cathode exhaust gas groove) is the width of the cathode intake gas channel 2. It is substantially the same as or larger.

以上のように、本発明の第２の実施例の燃料電池では、第１の実施例と同様に、カソード連通孔１４の構成によって、ＧＤＬ３０内でのガスの対流を促進して、電極触媒層４０での酸素分圧の減少を最低限とすることができる。カソード吸気側ガス流路２については、カソード連通孔のような幅の狭い部分はないので、酸化剤ガスの圧損を低く抑えることができる。従って燃料電池の発電の効率を向上させることができる。   As described above, in the fuel cell according to the second embodiment of the present invention, as in the first embodiment, the structure of the cathode communication hole 14 promotes gas convection in the GDL 30, and the electrode catalyst layer. The reduction in oxygen partial pressure at 40 can be minimized. Since the cathode intake side gas flow path 2 does not have a narrow portion like the cathode communication hole, the pressure loss of the oxidant gas can be suppressed low. Therefore, the power generation efficiency of the fuel cell can be improved.

またさらに、第２の実施例では、セパレータ１の各ガス流路を、軽量かつ強度に優れるとともに加工が容易な波型断面の板材によって構成とすることによって、燃料電池を小型軽量化することができる。   Furthermore, in the second embodiment, the fuel cell can be reduced in size and weight by configuring each gas flow path of the separator 1 with a plate material having a corrugated cross section that is lightweight and excellent in strength and easy to process. it can.

特に、図１（Ｂ）と比較すると、流路と流路の間に無駄なスペースがなくなる。特に、冷却水流路として利用していた空間の一部がガス流路となる。従って、ガス流路の断面積を減少させることなく、ガス流路の厚みを減少することができるので、セル厚さが減少する。   In particular, as compared with FIG. 1B, there is no useless space between the flow paths. In particular, a part of the space used as the cooling water channel becomes the gas channel. Therefore, the thickness of the gas channel can be reduced without reducing the cross-sectional area of the gas channel, so that the cell thickness is reduced.

従って、燃料電池の小型化が可能となり、出力密度を向上することができる。また、セル内に占める冷却水流路の容量が減るので、セルの熱量を減少することができ、低温起動時間を短縮することができる。   Therefore, the fuel cell can be miniaturized and the output density can be improved. Further, since the capacity of the cooling water flow path occupying in the cell is reduced, the heat quantity of the cell can be reduced, and the low temperature startup time can be shortened.

＜第３実施例＞
次に、本発明の第３の実施例を説明する。 <Third embodiment>
Next, a third embodiment of the present invention will be described.

本発明の第３の実施例の基本構成は、図２で前述した第２の実施例と同一である。   The basic configuration of the third embodiment of the present invention is the same as that of the second embodiment described above with reference to FIG.

第３の実施例では、図２で前述した断面が波形のカソード側導電板１５と、断面が波形のアノード側導電板１６とを、それぞれ、平板の板材からプレス加工することによって形成することを特徴とする。なお、カソード側導電板１５とアノード側導電板１６とは、金属の合金（例えばアルミ合金）等を用いる。そのため、プレス加工は容易である。   In the third embodiment, the cathode-side conductive plate 15 having a corrugated cross section and the anode-side conductive plate 16 having a corrugated cross section described above with reference to FIG. 2 are formed by pressing each from a flat plate material. Features. The cathode side conductive plate 15 and the anode side conductive plate 16 are made of a metal alloy (for example, an aluminum alloy). Therefore, press working is easy.

以上のように、本発明の第３の実施例の燃料電池では、カソード側導電板１５とアノード側導電板１６とを、加工時間が短いプレス加工によって形成する。このようにすることによって、セパレータ１の加工コストを低く抑えることができ、燃料電池の製造コストを低く抑えることができる。   As described above, in the fuel cell according to the third embodiment of the present invention, the cathode side conductive plate 15 and the anode side conductive plate 16 are formed by press working with a short processing time. By doing in this way, the processing cost of the separator 1 can be restrained low and the manufacturing cost of a fuel cell can be restrained low.

＜第４実施例＞
次に、本発明の第４の実施例を説明する。 <Fourth embodiment>
Next, a fourth embodiment of the present invention will be described.

本発明の第４の実施例の基本構成は、図１で前述した第１の実施例と同一である。そして、カソード連通孔の形状に特徴がある。   The basic configuration of the fourth embodiment of the present invention is the same as that of the first embodiment described above with reference to FIG. The shape of the cathode communication hole is characteristic.

図４は、本発明の第４の実施例の燃料電池のセパレータ１の上面図である。   FIG. 4 is a top view of the separator 1 of the fuel cell according to the fourth embodiment of the present invention.

図４に示すように、カソード連通孔１８は、前述のカソード連通孔１４とは異なり、開口形状が長孔である。より具体的には、カソード連通孔１８は、カソードリブ４の短辺に対して略中央に設けられる。そして、カソード連通孔１８の形状は、カソードリブ４の長辺を長辺とする略長方形に形成されている。   As shown in FIG. 4, the cathode communication hole 18 is different from the cathode communication hole 14 described above in that the opening shape is a long hole. More specifically, the cathode communication hole 18 is provided substantially at the center with respect to the short side of the cathode rib 4. The shape of the cathode communication hole 18 is formed in a substantially rectangular shape having the long side of the cathode rib 4 as the long side.

カソードリブ４は、反応ガスの供給によって圧力がかかる。また、自動車等に燃料電池が搭載された場合は、自動車の振動が燃料電池に加わる。   The cathode rib 4 is pressurized by the supply of the reaction gas. In addition, when a fuel cell is mounted on an automobile or the like, the vibration of the automobile is applied to the fuel cell.

そのため、これらによって、カソードリブ４に形成されるカソード連通孔にクラックが入る恐れがある。特に、カソード連通孔が前述した図１のように略円形である場合は、カソードリブ４の端部に最も近いカソード連通孔１４の開口部に応力が集中し、クラックが入る恐れがある。   Therefore, there is a risk that cracks may occur in the cathode communication holes formed in the cathode rib 4 due to these. In particular, when the cathode communication hole is substantially circular as shown in FIG. 1 described above, stress concentrates on the opening of the cathode communication hole 14 closest to the end of the cathode rib 4 and a crack may occur.

そこで、カソード連通孔１８を略長方形形状として、カソードリブ４の端部とカソード連通孔１８との距離を略均一にする。これによって、カソードリブ４の強度を高める。   Therefore, the cathode communication hole 18 is formed in a substantially rectangular shape, and the distance between the end of the cathode rib 4 and the cathode communication hole 18 is made substantially uniform. Thereby, the strength of the cathode rib 4 is increased.

なお、カソード連通孔１８は、完全な矩形とするのではなく、角部に丸みを持たせると、クラック防止のために好適である。   In addition, it is suitable for preventing the crack if the corners of the cathode communication hole 18 are not rounded but rounded.

以上のように、本発明の第４の実施例の燃料電池では、カソード連通孔１８を略長方形としたので、カソード連通孔１８の断面積を確保しつつ、カソード連通孔１８付近のセパレータの強度を向上させることが可能となる。これにより、発電の効率を維持しつつ、セパレータ１を薄くできるので、セルの小型化が可能となり、燃料電池の出力密度を向上させることができる。   As described above, in the fuel cell of the fourth embodiment of the present invention, since the cathode communication hole 18 is substantially rectangular, the strength of the separator in the vicinity of the cathode communication hole 18 is ensured while ensuring the cross-sectional area of the cathode communication hole 18. Can be improved. Thereby, since the separator 1 can be made thin while maintaining the efficiency of power generation, the cell can be miniaturized and the output density of the fuel cell can be improved.

なお、図２で前述した第２の実施例のカソード連通孔１４を、図４に示すような形状としてもよい。   The cathode communication hole 14 of the second embodiment described above with reference to FIG. 2 may have a shape as shown in FIG.

＜第５実施例＞
次に、本発明の第５の実施例を説明する。 <Fifth embodiment>
Next, a fifth embodiment of the present invention will be described.

本発明の第５の実施例は、前述した第２の実施例の基本構成と同様に、断面が波型のカソード側導電板１５と、断面が波型のアノード側導電板１６と、導電材からなる隔離板１７とによって構成される。そして、カソード側導電板１５に設けられるカソード連通孔１４の構造が前述の第２の実施例と異なる。   The fifth embodiment of the present invention is similar to the basic configuration of the second embodiment described above. The corrugated cathode side conductive plate 15, the corrugated anode side conductive plate 16, and the conductive material. And a separator plate 17 made of The structure of the cathode communication hole 14 provided in the cathode side conductive plate 15 is different from that of the second embodiment.

図５は、本発明の第５の実施例の燃料電池のセパレータ１の断面図である。   FIG. 5 is a sectional view of a separator 1 of a fuel cell according to a fifth embodiment of the present invention.

図５に示すように、カソード連通孔１４は、カソード排気側ガス流路３の内部に突起した形状を備える整流構造１９を備えている。この整流構造１９は、その断面積が、ＧＤＬ３０側からカソード排気側ガス流路３側に向かって暫時拡大している。   As shown in FIG. 5, the cathode communication hole 14 includes a rectifying structure 19 having a shape protruding inside the cathode exhaust gas passage 3. The rectifying structure 19 has a cross-sectional area that is enlarged for a while from the GDL 30 side toward the cathode exhaust gas passage 3 side.

この整流構造１９は、例えば円筒状かつテーパ形状の付加物をカソード排気側ガス流路３のＧＤＬ側に接合することによって形成される。   The rectifying structure 19 is formed by, for example, joining a cylindrical and tapered appendage to the GDL side of the cathode exhaust gas path 3.

このように、カソード連通孔１４に整流構造１９を備えることによって、カソード排気側ガス流路３の圧損を減少させることができる。   Thus, by providing the rectifying structure 19 in the cathode communication hole 14, the pressure loss of the cathode exhaust gas passage 3 can be reduced.

より具体的には、前述の第２の実施例のように、カソード連通孔１４からカソード排気側ガス流路３に向けて流路が急に拡大するように形成した場合は、ガスの流れに乱れが生じてしまう。そのため、この乱れによって圧損が発生してしまう可能性がある。   More specifically, as in the second embodiment described above, when the channel is formed so that the channel suddenly expands from the cathode communication hole 14 toward the cathode exhaust gas channel 3, Disturbance will occur. For this reason, pressure disturbance may occur due to this disturbance.

そこで、カソード連通孔１４に整流構造１９を備え、ＧＤＬ３０側からカソード排気側ガス流路３側に向かって暫時拡大するように形成した。   Therefore, the cathode communication hole 14 is provided with a rectifying structure 19 and formed so as to expand for a while from the GDL 30 side toward the cathode exhaust gas passage 3 side.

ＧＤＬ３０を通過した反応ガスは、カソード連通孔１４を通過してこの整流構造１９に流れる。整流構造１９は暫時拡大しているので、反応ガスの圧力が急激に変化することはない。この整流構造１９を通過する反応ガスは、拡大された断面積に沿って徐々に圧力が緩和されて、最終的にカソード排気側ガス流路３に流れる。これによって、ガスの流れの乱れを解消して、この乱れによって発生する圧損を低減することができる。   The reaction gas that has passed through the GDL 30 passes through the cathode communication hole 14 and flows into the rectifying structure 19. Since the rectifying structure 19 is enlarged for a while, the pressure of the reaction gas does not change abruptly. The reaction gas passing through the rectifying structure 19 is gradually relieved in pressure along the enlarged cross-sectional area, and finally flows into the cathode exhaust gas passage 3. Thereby, the disturbance of the gas flow can be eliminated, and the pressure loss caused by the disturbance can be reduced.

なお、図８に示すように、整流構造１９は、カソード排気側ガス流路３の途中までしか形成されていない。すなわち、整流構造１９は、カソード排気側ガス流路の壁面から離れて形成され、壁面に接触していない。   As shown in FIG. 8, the rectifying structure 19 is formed only up to the middle of the cathode exhaust gas passage 3. That is, the rectifying structure 19 is formed away from the wall surface of the cathode exhaust gas passage and is not in contact with the wall surface.

整流構造１９が途中までしか存在しなくても、ガスは慣性により方向を維持したまま流れるので、その端部によって圧損が発生することはない。   Even if the rectifying structure 19 exists only halfway, the gas flows while maintaining its direction due to inertia, so that no pressure loss occurs at the end portion.

以上のように、本発明の第５の実施例の燃料電池では、カソード連通孔１４のガスの流れ側に、テーパ形状の整流構造１９を備えたので、第２の実施例と比較して、カソード連通孔１４の反応ガスの乱れによって発生する圧損を低減することができるので、燃料電池内の酸素分圧が増加し、発電の効率を向上することができる。   As described above, in the fuel cell according to the fifth embodiment of the present invention, the taper-shaped rectifying structure 19 is provided on the gas flow side of the cathode communication hole 14, and therefore, compared with the second embodiment, Since the pressure loss caused by the disturbance of the reaction gas in the cathode communication hole 14 can be reduced, the oxygen partial pressure in the fuel cell is increased, and the power generation efficiency can be improved.

また、この整流構造１９は、テーパ形状の付加物を、断面が波形形状のカソード側導電板１５のＧＤＬ側にのみ接合することによって形成することができるので、特殊な切削行程を必要とせず、低コストの燃料電池を提供することができる。   Further, the rectifying structure 19 can be formed by joining the taper-shaped appendage only to the GDL side of the cathode-side conductive plate 15 having a corrugated cross section, so that a special cutting process is not required. A low-cost fuel cell can be provided.

＜第６実施例＞
次に、本発明の第６の実施例を説明する。 <Sixth embodiment>
Next, a sixth embodiment of the present invention will be described.

本発明の第６実施例は、前述した第２の実施例の基本構成と同様に、断面が波型のカソード側導電板１５と、断面が波型のアノード側導電板１６と、導電材からなる隔離板１７と、によって構成される。そして、アノード側導電板１６によって形成される冷却水流路７の構造が、前述の第２の実施例と異なる。   In the sixth embodiment of the present invention, similar to the basic configuration of the second embodiment, the cathode side conductive plate 15 having a corrugated cross section, the anode side conductive plate 16 having a corrugated cross section, and a conductive material are used. And the separator 17. The structure of the cooling water flow path 7 formed by the anode side conductive plate 16 is different from that of the second embodiment.

図６は、本発明の第６の実施例の燃料電池のセパレータ１の断面図である。   FIG. 6 is a cross-sectional view of the separator 1 of the fuel cell according to the sixth embodiment of the present invention.

この図６に示すように、冷却水流路７の隔離板１７の接触部の幅が、隔離板１７を介して対峙しているカソード排気側ガス流路３の隔離板１７の接触部の幅よりも狭く構成されていることを特徴とする。すなわち、冷却水流路７を構成する隔離板１７の幅が、カソード排気側ガス流路３を構成する隔離板１７の幅よりも狭く構成されている。   As shown in FIG. 6, the width of the contact portion of the separator 17 of the cooling water flow path 7 is larger than the width of the contact portion of the separator 17 of the cathode exhaust side gas flow path 3 facing the separator plate 17. Is also configured to be narrow. That is, the width of the separator 17 constituting the cooling water flow path 7 is configured to be narrower than the width of the separator 17 constituting the cathode exhaust gas path 3.

一般的に、燃料電池は、セパレータ１とＧＤＬ３０とが交互に配されたＩＤ構造である。そのため、これらは、発電に適切な状態となるように厚み方向に加重が加えられている。また、セパレータには反応ガスが供給されるため、反応ガスによる圧力が加わる。またさらに、自動車等に燃料電池が搭載された場合は、自動車の振動が燃料電池に加わる。   In general, the fuel cell has an ID structure in which separators 1 and GDLs 30 are alternately arranged. Therefore, these are weighted in the thickness direction so as to be in an appropriate state for power generation. Further, since the reaction gas is supplied to the separator, a pressure by the reaction gas is applied. Furthermore, when a fuel cell is mounted on an automobile or the like, the vibration of the automobile is applied to the fuel cell.

そのため、セパレータ１には、これらに耐えうる程度の強度が必要とされる。その一方で、発電密度を上げるためには、セパレータ１を積層方向に薄く構成することが望ましい。   Therefore, the separator 1 is required to have a strength that can withstand these. On the other hand, in order to increase the power generation density, it is desirable to make the separator 1 thin in the stacking direction.

ここで、前述した第２の実施例の図２に示すように、隔離板１７を挟んで、カソード吸気側ガス流路２の幅とアノードガス流路５の幅とが略同一であるように構成し、かつ、カソード排気側ガス流路３の幅と冷却水流路７の幅とが略同一であるように構成した場合は、カソード側導電板１５が隔離板１７とが接触する凹部の角部に荷重が集中するので、クラックが発生する恐れがある。そのため、カソード側導電板１５、アノード側導電板１６及び隔離板１７を、所望の強度が得られるような厚みで構成する必要がある。   Here, as shown in FIG. 2 of the second embodiment, the width of the cathode intake side gas flow path 2 and the width of the anode gas flow path 5 are substantially the same with the separator plate 17 interposed therebetween. When the cathode exhaust side gas flow path 3 and the cooling water flow path 7 are configured to have substantially the same width, the corners of the recesses where the cathode side conductive plate 15 contacts the separator plate 17 are formed. Since the load concentrates on the part, there is a risk of cracking. Therefore, it is necessary to configure the cathode side conductive plate 15, the anode side conductive plate 16, and the separator plate 17 with such thicknesses that desired strength can be obtained.

これに対して、本実施例では、カソード側導電板１５の凹部の角部と、アノード側導電板１６の凹部の角点とが、隔離板１７において対峙した位置とならないように構成した。   In contrast, in this embodiment, the corners of the recesses of the cathode-side conductive plate 15 and the corners of the recesses of the anode-side conductive plate 16 are configured not to face each other on the separator plate 17.

より具体的には、カソード排気側ガス流路３を構成するカソード側導電板１５の凸部の幅よりも、冷却水流路７を構成するアノード側導電板１６の凸部の幅を狭く構成した。これによって、カソード側導電板１５の角部とアノード側導電板１６の角部とが一箇所とならない。そのため、セパレータ１に加わる荷重が一箇所に集中せず、隔離板１７に分散される。従って、セパレータ１を構成するカソード側導電板１５、アノード側導電板１６及び隔離板１７を薄くすることが可能となる。   More specifically, the width of the convex part of the anode side conductive plate 16 constituting the cooling water flow path 7 is made narrower than the width of the convex part of the cathode side conductive plate 15 constituting the cathode exhaust side gas flow path 3. . As a result, the corner of the cathode side conductive plate 15 and the corner of the anode side conductive plate 16 do not become one place. Therefore, the load applied to the separator 1 is not concentrated in one place but is distributed to the separator plate 17. Therefore, the cathode-side conductive plate 15, the anode-side conductive plate 16 and the separator plate 17 constituting the separator 1 can be made thin.

以上のように、本発明の第６の実施例の燃料電池では、セパレータ１を構成するカソード側導電板１５の凹部の角部と、アノード側導電板１６の凹部の角点とを、隔離板１７において対峙した位置とならないように構成した。これにより、カソード側導電板１５、アノード側導電板１６及び隔離板１７を薄くすることができるので、燃料電池を軽量化することができる。   As described above, in the fuel cell according to the sixth embodiment of the present invention, the corners of the concave portions of the cathode-side conductive plate 15 and the corner points of the concave portions of the anode-side conductive plate 16 constituting the separator 1 are separated from each other. 17 so as not to face each other. Thereby, since the cathode side conductive plate 15, the anode side conductive plate 16, and the separator plate 17 can be made thin, a fuel cell can be reduced in weight.

また、冷却水流路７の幅、すなわち、冷却水流路７の断面積が縮小されるので、セル内の冷却水容量が減少され、セルの熱容量が減少されることによって、低温時の燃料電池の起動時間を短縮することができる。   In addition, since the width of the cooling water flow path 7, that is, the cross-sectional area of the cooling water flow path 7 is reduced, the cooling water capacity in the cell is reduced and the heat capacity of the cell is reduced. Startup time can be shortened.

＜第７実施例＞
次に、本発明の第７の実施例を説明する。 <Seventh embodiment>
Next, a seventh embodiment of the present invention will be described.

第７の実施例の基本構成は、前述した第１の実施例のセパレータ１と同一である。そして、カソード連通孔１４の幅が、ＧＤＬ３０の厚さの２倍以下であることを特徴とする。   The basic configuration of the seventh embodiment is the same as that of the separator 1 of the first embodiment described above. The width of the cathode communication hole 14 is not more than twice the thickness of the GDL 30.

図７は、本発明の第７の実施例の燃料電池のセパレータ１の断面図である。   FIG. 7 is a cross-sectional view of the separator 1 of the fuel cell according to the seventh embodiment of the present invention.

図７（Ａ）に示すように、前述の第１の実施例において、カソード連通孔１４の幅が、ガスが対流するＧＤＬ３０の厚さの２倍よりも大きい場合には、ＧＤＬ３０からカソード連通孔１４への反応ガスの流れに圧損が生じる。より具体的には、ＧＤＬ３０におけるカソード連通孔１４の直前では、ＧＤＬ３０の断面積が大きいため、反応ガスが縮流することなく、ＧＤＬ３０からカソード連通孔１４に向かって大きな曲率で湾曲する。そのため、カソード連通孔１４と対向するＧＤＬ３０内での電極触媒層との界面付近は、反応ガスの対流が少ないよどみ点が発生する。   As shown in FIG. 7A, in the first embodiment described above, when the width of the cathode communication hole 14 is larger than twice the thickness of the GDL 30 to which the gas convects, the cathode communication hole extends from the GDL 30 to the cathode communication hole. A pressure loss occurs in the flow of the reaction gas to 14. More specifically, since the cross-sectional area of the GDL 30 is large immediately before the cathode communication hole 14 in the GDL 30, the reaction gas is curved from the GDL 30 toward the cathode communication hole 14 with a large curvature without contracting. Therefore, a stagnation point in which the convection of the reaction gas is small occurs in the vicinity of the interface with the electrode catalyst layer in the GDL 30 facing the cathode communication hole 14.

そこで、本実施例では、カソード連通孔１４幅を、ＧＤＬ３０の厚さの２倍以下に構成した。このように構成することによって、図７（Ｂ）に示すように、ＧＤＬ３０からカソード連通孔１４への反応ガス流れは、ほぼ直角に曲がることとなる。これによって反応ガスが縮流となるので、カソード連通孔１４と対向するＧＤＬ３０内での電極触媒層４０との界面付近は、反応ガスが対流する領域となる。   Therefore, in this embodiment, the width of the cathode communication hole 14 is configured to be not more than twice the thickness of the GDL 30. With this configuration, as shown in FIG. 7B, the reaction gas flow from the GDL 30 to the cathode communication hole 14 bends substantially at a right angle. As a result, the reaction gas becomes a contracted flow, so that the vicinity of the interface with the electrode catalyst layer 40 in the GDL 30 facing the cathode communication hole 14 is a region where the reaction gas convects.

以上のように、本発明の第７の実施例の燃料電池では、カソード連通孔１４の幅を、ＧＤＬ３０の厚さの２倍以下に構成したので、カソード連通孔１４と対向するＧＤＬ３０内での電極触媒層との界面付近は、反応ガスが対流する領域となる。これによって、カソード連通孔１４と対向する部分の電極触媒層４０の酸素分圧が上昇するので、発電の効率を向上させることができる。   As described above, in the fuel cell according to the seventh embodiment of the present invention, the width of the cathode communication hole 14 is set to be twice or less the thickness of the GDL 30. The vicinity of the interface with the electrode catalyst layer is a region where the reaction gas convects. As a result, the oxygen partial pressure in the portion of the electrode catalyst layer 40 facing the cathode communication hole 14 increases, so that the power generation efficiency can be improved.

なお、前述した第２の実施例のセパレータ１と同一の基本構成において、カソード連通孔１４を前述のように構成してもよい。   The cathode communication hole 14 may be configured as described above in the same basic configuration as the separator 1 of the second embodiment described above.

＜第８実施例＞
次に、本発明の第８の実施例を説明する。 <Eighth embodiment>
Next, an eighth embodiment of the present invention will be described.

第８の実施例の基本構成は、前述した第１の実施例の燃料電池のセパレータ１と同一である。そして、カソード排気側ガス流路３の断面積（Ａ）は、次の数式のような関係となるように構成することを特徴とする。
Ａ≧Ｂ１
かつ、
Ａ≦（１＋（（Ｂ１／Ｃ１）＾２）×Ｃ２×Ｂ２）
ただし、
Ａ：カソード排気側ガス流路３の断面積
Ｂ１：カソード吸気側ガス流路２の断面積
Ｂ２：カソード吸気側ガス流路２の長さ（カソード吸気側ガス流路を構成する溝部の端部から端部への距離）
Ｃ１：カソード連通孔１４の断面積
Ｃ２：カソード連通孔１４の長さ（ＧＤＬ３０と連通する部分からカソード排気側ガス流路３と連通する部分への距離）
とする。 The basic configuration of the eighth embodiment is the same as the separator 1 of the fuel cell of the first embodiment described above. The cross-sectional area (A) of the cathode exhaust side gas flow path 3 is configured to have a relationship represented by the following formula.
A ≧ B1
And,
A ≦ (1 + ((B1 / C1) ^ 2) × C2 × B2)
However,
A: Cross sectional area of cathode exhaust side gas flow path 3 B1: Cross sectional area of cathode intake side gas flow path 2 B2: Length of cathode intake side gas flow path 2 (end portion of groove portion constituting cathode intake side gas flow path) Distance from edge to edge)
C1: Cross-sectional area of cathode communication hole C2: Length of cathode communication hole 14 (distance from a portion communicating with GDL 30 to a portion communicating with cathode exhaust gas passage 3)
And

第１の実施例において前述したように、カソード吸気側ガス流路２の断面積とカソード排気側ガス流路３の断面積は略同一である。   As described above in the first embodiment, the cross-sectional area of the cathode intake side gas flow path 2 and the cross-sectional area of the cathode exhaust side gas flow path 3 are substantially the same.

電極触媒層４０において、カソード側では、前述の化学式（２）で示したように水素と酸素から水が生成される反応が生じている。このとき、水の生成モル数は酸素の消滅モル数よりも多いが、飽和蒸気圧以上の水は凝縮して液体となる。そのため、反応ガスの流量（体積）は、カソード吸気側ガス流路２よりも、カソード排気側ガス流路３の方が少なくなる。   In the electrode catalyst layer 40, a reaction in which water is generated from hydrogen and oxygen occurs on the cathode side as shown in the chemical formula (2). At this time, the number of moles of water produced is greater than the number of moles of oxygen disappeared, but water above the saturated vapor pressure is condensed into a liquid. For this reason, the flow rate (volume) of the reaction gas is smaller in the cathode exhaust gas passage 3 than in the cathode intake gas passage 2.

従って、吸気側と排気側とで流路の形状及び寸法が同一であれば、カソード排気側ガス流路３で発生する圧損は、カソード吸気側ガス流路２で発生する圧損よりも小さくなる。   Therefore, if the shape and size of the flow path are the same on the intake side and the exhaust side, the pressure loss generated in the cathode exhaust side gas flow path 3 is smaller than the pressure loss generated in the cathode intake side gas flow path 2.

なお、カソード排気側ガス流路３の手前には、流路の絞りとなるカソード連通孔１４がある。そのため、吸気側と排気側とで流路形状が異なるので、排気側ガス流路の方が圧損が小さくなるとは限らない。   A cathode communication hole 14 that serves as a restriction for the flow path is provided in front of the cathode exhaust gas flow path 3. For this reason, since the shape of the flow path is different between the intake side and the exhaust side, the pressure loss is not necessarily reduced in the exhaust side gas flow path.

前述したように、ＧＤＬ３０内のガス対流領域を拡大させるためには、カソード連通孔１４の幅を小さくすることが望ましい。その一方で、カソード連通孔１４の幅を小さくすることによって、カソード排気側ガス流路３の圧損が大きくなり、セルとしての圧損が増加する。   As described above, in order to expand the gas convection region in the GDL 30, it is desirable to reduce the width of the cathode communication hole 14. On the other hand, by reducing the width of the cathode communication hole 14, the pressure loss of the cathode exhaust-side gas flow path 3 increases, and the pressure loss as a cell increases.

そこで、本実施例では、カソード連通孔１４における圧損の発生を考慮に入れ、カソード吸気側ガス流路２とカソード排気側ガス流路３とで生じる圧損が同等となるように、それぞれのガス流路の断面積を前述の数式のように構成した。   Therefore, in the present embodiment, the occurrence of pressure loss in the cathode communication hole 14 is taken into consideration, and the respective gas flows are set so that the pressure loss generated in the cathode intake side gas flow path 2 and the cathode exhaust side gas flow path 3 becomes equal. The cross-sectional area of the road was configured as described above.

このように構成することによって、カソード吸気側ガス流路２とカソード排気側ガス流路３とで生じる圧損の合計が最小となる。   With this configuration, the total pressure loss generated in the cathode intake side gas flow path 2 and the cathode exhaust side gas flow path 3 is minimized.

以上のように、本発明の第８の実施例の燃料電池では、カソード連通孔１４の幅を小さくした場合にも、カソード吸気側ガス流路２とカソード排気側ガス流路３とで生じる圧損の増加を抑制することができるので、燃料電池内の酸素分圧が上昇する。従って、燃料電池の発電の効率を向上することができる。   As described above, in the fuel cell according to the eighth embodiment of the present invention, even when the width of the cathode communication hole 14 is reduced, the pressure loss generated in the cathode intake side gas flow path 2 and the cathode exhaust side gas flow path 3. Therefore, the oxygen partial pressure in the fuel cell increases. Therefore, the power generation efficiency of the fuel cell can be improved.

なお、前述した第２の実施例のセパレータ１と同一の基本構成において、カソード連通孔１４を前述のように構成してもよい。   The cathode communication hole 14 may be configured as described above in the same basic configuration as the separator 1 of the second embodiment described above.

＜第９実施例＞
次に、本発明の第９の実施例を説明する。 <Ninth embodiment>
Next, a ninth embodiment of the present invention will be described.

第９の実施例の基本構成は、前述した第１の実施例の燃料電池のセパレータ１と同一である。そして、ＧＤＬ３０を親水性の素材によって構成したことを特徴とする。   The basic configuration of the ninth embodiment is the same as that of the separator 1 of the fuel cell of the first embodiment described above. The GDL 30 is made of a hydrophilic material.

前述したように、電極触媒層において、カソード側では、前述の化学式（２）で示すように、水素と酸素によって水が生成される反応が生じている。このとき、飽和蒸気圧以上の水は凝縮して液体となる。   As described above, in the electrode catalyst layer, on the cathode side, a reaction in which water is generated by hydrogen and oxygen occurs as shown in the chemical formula (2). At this time, water having a saturation vapor pressure or higher is condensed into a liquid.

ＩＤ構造のガス流路において、ＧＤＬ３０内に反応ガスの対流が生じる。そのため、生成した水が凝縮した場合は、対流するガスに押し流されるため、生成された水は次第に排出される。しかしながら、高負荷域等、高湿度な運転条件等の場合に、ＧＤＬ３０内で反応ガスの対流が少なくなるために、凝縮した生成水によってガス流路の閉塞が起こる可能性がある。   Convection of the reaction gas occurs in the GDL 30 in the ID-structure gas flow path. Therefore, when the generated water is condensed, it is swept away by the convective gas, and thus the generated water is gradually discharged. However, in the case of high humidity operating conditions such as a high load range, the convection of the reaction gas is reduced in the GDL 30, and the gas flow path may be blocked by the condensed product water.

そこで本実施例では、ＧＤＬ３０を親水性の素材とした。このＧＤＬ３０の毛細管力によって、生成水をガスの対流によってカソード排気側ガス流路３へと排出する。   Therefore, in this embodiment, GDL30 is a hydrophilic material. Due to the capillary force of the GDL 30, the generated water is discharged to the cathode exhaust gas passage 3 by gas convection.

図８は、本発明の第９の実施例のセパレータ１とＧＤＬ３０との界面における生成水の流れと反応ガスの対流との説明図である。なお、反応ガスの流れを点線で示し、生成水の流れを白抜き矢印で示す。   FIG. 8 is an explanatory diagram of the flow of generated water and the convection of the reaction gas at the interface between the separator 1 and the GDL 30 according to the ninth embodiment of the present invention. In addition, the flow of the reaction gas is indicated by a dotted line, and the flow of the generated water is indicated by a white arrow.

図８に示すように、ＧＤＬ３０において、反応ガスの吸気側から下流に行くにつれて生成水が多くなる。このとき、凝縮した生成水が毛細管力によってＧＤＬ３０内に浸透する。ＧＤＬ３０に浸透した生成水の一部は、反応ガスの対流によってカソード連通孔１４からカソード排気側ガス流路３へと導かれる。カソード排気側ガス流路３では、反応ガスの対流によって、生成水がカソード排気口１１へと排出される。   As shown in FIG. 8, the generated water increases in the GDL 30 as it goes downstream from the reaction gas intake side. At this time, the condensed product water penetrates into the GDL 30 by capillary force. Part of the generated water that has permeated the GDL 30 is guided from the cathode communication hole 14 to the cathode exhaust gas passage 3 by the convection of the reaction gas. In the cathode exhaust gas passage 3, the generated water is discharged to the cathode exhaust port 11 by convection of the reaction gas.

なお、ＧＤＬ３０は、一般的に炭素繊維からなる不織布によって構成される。そこで、この不織布に、例えば高分子のエマルションや微細粒子などを付加することによって親水性とすることができる。または、導電性かつ親水性の素材を繊維状としたものを不織布として、これをＧＤＬ３０として用いてもよい。   In addition, GDL30 is generally comprised by the nonwoven fabric which consists of carbon fibers. Therefore, the nonwoven fabric can be made hydrophilic by adding, for example, a polymer emulsion or fine particles. Alternatively, a non-woven fabric made of a conductive and hydrophilic material may be used as the GDL 30.

以上のように、本発明の第９の実施例の燃料電池は、ＧＤＬ３０を親水性の素材としたので、カソード吸気側ガス流路２で凝縮した生成水は、毛細管力によってカソード排気側ガス流路３への排出が促進される。従って、高負荷域等でのガス流路等の閉塞が抑制されるので、発電の効率を向上することができる。   As described above, since the fuel cell of the ninth embodiment of the present invention uses GDL 30 as a hydrophilic material, the generated water condensed in the cathode intake side gas flow path 2 flows into the cathode exhaust side gas flow by capillary force. Discharge to road 3 is promoted. Accordingly, since the blockage of the gas flow path or the like in the high load region or the like is suppressed, the power generation efficiency can be improved.

なお、前述した第２の実施例のセパレータ１と同一の基本構成において、ＧＤＬ３０を前述のように構成してもよい。   The GDL 30 may be configured as described above in the same basic configuration as the separator 1 of the second embodiment described above.

＜第１０実施例＞
次に、本発明の第１０の実施例を説明する。 <Tenth embodiment>
Next, a tenth embodiment of the present invention will be described.

第１０の実施例の基本構成は、前述した第９の実施例の燃料電池のセパレータ１と同一である。また前述の第９の実施例と同様に、ＧＤＬ３０を親水性の素材によって構成したことを特徴とする。   The basic configuration of the tenth embodiment is the same as the separator 1 of the fuel cell of the ninth embodiment described above. Further, similar to the ninth embodiment, the GDL 30 is made of a hydrophilic material.

そして、第１０の実施例では、セパレータ１を水平方向に配置することを特徴とする。そしてさらに、カソード側のガス流路と、それと対峙するＭＥＡ２０に関して、ＭＥＡ２０が上方に、カソード側のガス流路が下方に配置されることを特徴とする。   In the tenth embodiment, the separator 1 is arranged in the horizontal direction. Further, with respect to the cathode-side gas flow path and the MEA 20 facing it, the MEA 20 is disposed above and the cathode-side gas flow path is disposed below.

図９は、本発明の第１０の実施例の燃料電池のセパレータ１の断面図である。   FIG. 9 is a sectional view of the separator 1 of the fuel cell according to the tenth embodiment of the present invention.

図９に示すように、セパレータを水平方向に配置し、かつ、ＭＥＡ２０をカソード側のガス流路よりも上側に配置する。これによって、カソード吸気側ガス流路２で凝縮された生成水の一部は、重力によりＭＥＡ２０から落下して、ＭＥＡ２０と対向するカソード吸気側ガス流路２に流れ落ちる。この水量が多くなれば、カソード吸気口８から排出される。特に、前述のようにＭＥＡ２０を構成するＧＤＬ３０を親水性の素材によって構成したので、凝縮された生成水はＧＤＬ３０からガス流路に流れ落ちやすい。   As shown in FIG. 9, the separator is arranged in the horizontal direction, and the MEA 20 is arranged above the gas flow path on the cathode side. As a result, part of the generated water condensed in the cathode intake side gas flow path 2 falls from the MEA 20 due to gravity, and flows down to the cathode intake side gas flow path 2 facing the MEA 20. If the amount of water increases, the water is discharged from the cathode intake port 8. In particular, since the GDL 30 constituting the MEA 20 is made of a hydrophilic material as described above, the condensed product water tends to flow down from the GDL 30 to the gas flow path.

以上のように、本発明の第１０の実施例の燃料電池では、生成水を適切に排出するので、高負荷域等でのガス流路等の閉塞が抑制される。従って、前述の第９の実施例よりも発電の効率を向上させることができる。   As described above, in the fuel cell according to the tenth embodiment of the present invention, the generated water is appropriately discharged, so that blockage of the gas flow path or the like in a high load region or the like is suppressed. Therefore, the power generation efficiency can be improved as compared with the ninth embodiment.

＜第１１実施例＞
次に、本発明の第１１の実施例を説明する。 <Eleventh embodiment>
Next, an eleventh embodiment of the present invention will be described.

第１１の実施例の基本構成は、前述した第２の実施例の燃料電池のセパレータ１と同一である。また前述の第９の実施例と同様に、ＧＤＬ３０を親水性の素材によって構成した。また、前述の第１０の実施例と同様に、セパレータ１を水平方向に配置し、かつ、ＭＥＡ２０をカソード側のガス流路よりも上方に配置した。   The basic configuration of the eleventh embodiment is the same as the separator 1 of the fuel cell of the second embodiment described above. Further, as in the ninth embodiment, the GDL 30 is made of a hydrophilic material. Similarly to the tenth embodiment described above, the separator 1 was disposed in the horizontal direction, and the MEA 20 was disposed above the gas flow path on the cathode side.

そして、第１１の実施例では、セパレータ１の各ガス流路を構成する表面が親水性であることを特徴とする。   In the eleventh embodiment, the surface constituting each gas flow path of the separator 1 is hydrophilic.

このように、セパレータ１のガス流路（特に、カソード吸気側ガス流路２）の表面を親水性とすることによって、凝縮された生成水が、ガス流路の内面に沿ってカソード吸気口８まで広がるようになる。これにより、ガス流路を介して生成水の排出が促進される。   Thus, by making the surface of the gas flow path (especially, the cathode intake side gas flow path 2) of the separator 1 hydrophilic, the condensed product water flows along the inner surface of the gas flow path to the cathode intake port 8. To spread. Thereby, discharge | emission of produced | generated water is accelerated | stimulated via a gas flow path.

なお、セパレータ１を構成するカソード側導電板１５、アノード側導電板１６及び隔離板１７は一般的に導電性の金属合金によって構成される。そこで、このセパレータの表面に、例えば高分子のエマルションや微細粒子などを付加することによって、セパレータ１を親水性とすることができる。また、セパレータのガス流路となる面に、反応ガスの対流方向に沿って微細な溝を加工して、生成水の排出を促すような効果を持たせることによって親水性を持たせてもよい。   The cathode side conductive plate 15, the anode side conductive plate 16 and the separator plate 17 constituting the separator 1 are generally made of a conductive metal alloy. Therefore, the separator 1 can be made hydrophilic by adding, for example, a polymer emulsion or fine particles to the surface of the separator. Further, the separator may be made hydrophilic by processing a minute groove along the convection direction of the reaction gas on the surface to be a gas flow path of the separator so as to promote the discharge of generated water. .

以上のように、本発明の第１１の実施例の燃料電池では、生成水を適切に排出するので、高負荷域等でのガス流路等の閉塞が抑制される。従って、前述の第１０の実施例よりも発電の効率を向上させることができる。   As described above, in the fuel cell according to the eleventh embodiment of the present invention, the generated water is appropriately discharged, so that the blockage of the gas flow path or the like in the high load region or the like is suppressed. Therefore, the power generation efficiency can be improved as compared with the tenth embodiment described above.

なお、本実施例はカソード側に適応する例について説明したが、アノード側に適応することができるのはもちろんである。   In addition, although the present Example demonstrated the example applied to the cathode side, of course, it can apply to the anode side.

本発明の第１の実施例の燃料電池のセパレータの説明図である。It is explanatory drawing of the separator of the fuel cell of the 1st Example of this invention. 本発明の第１の実施例の燃料電池の発電状態における、酸素分圧の一例を示す表である。It is a table | surface which shows an example of the oxygen partial pressure in the electric power generation state of the fuel cell of the 1st Example of this invention. 本発明の第２の実施例の燃料電池のセパレータ１の断面図である。It is sectional drawing of the separator 1 of the fuel cell of the 2nd Example of this invention. 本発明の第４の実施例の燃料電池のセパレータ１の上面図である。It is a top view of the separator 1 of the fuel cell of the 4th example of the present invention. 本発明の第５の実施例の燃料電池のセパレータ１の断面図である。It is sectional drawing of the separator 1 of the fuel cell of the 5th Example of this invention. 本発明の第６の実施例の燃料電池のセパレータ１の断面図である。It is sectional drawing of the separator 1 of the fuel cell of the 6th Example of this invention. 本発明の第７の実施例の燃料電池のセパレータ１の断面図である。It is sectional drawing of the separator 1 of the fuel cell of the 7th Example of this invention. 本発明の第９の実施例の生成水の流れと反応ガスの対流との説明図である。It is explanatory drawing of the flow of the produced water of the 9th Example of this invention, and the convection of a reactive gas. 本発明の第１０の実施例の燃料電池のセパレータ１の断面図である。It is sectional drawing of the separator 1 of the fuel cell of the 10th Example of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

１ セパレータ
２ カソード吸気側ガス流路（カソード排気側溝部）
３ カソード排気側ガス流路
４ カソードリブ
５ アノードガス流路
６ アノードリブ
７ 冷却水流路
８ カソード吸気口
９ アノード吸気口
１０ 冷却水供給口
１１ カソード排気口
１２ アノード排気口
１３ 冷却水排出口
１４ カソード連通孔
１５ カソード側導電板
１６ アノード側導電板
１７ 隔離板
１８ カソード連通孔
１９ 整流構造
２０ ＭＥＡ（電極複合体）
３０ ＧＤＬ（ガス拡散層）
４０ 電極触媒層
５０ 電解質膜 1 Separator 2 Cathode intake side gas flow path (Cathode exhaust side groove)
3 Cathode exhaust side gas flow path 4 Cathode rib 5 Anode gas flow path 6 Anode rib 7 Cooling water flow path 8 Cathode intake port 9 Anode intake port 10 Cooling water supply port 11 Cathode exhaust port 12 Anode exhaust port 13 Cooling water discharge port 14 Cathode communication hole 15 Cathode side conductive plate 16 Anode side conductive plate 17 Separator plate 18 Cathode communication hole 19 Rectification structure 20 MEA (electrode composite)
30 GDL (gas diffusion layer)
40 Electrocatalyst layer 50 Electrolyte membrane

Claims (11)

電解質膜の陽極及び陰極にそれぞれ備えられた電極触媒層と、前記電極触媒層のそれぞれに備えられ、反応ガスを供給するとともに、前記電極触媒層において発電された電力を集電するガス拡散層と、によって構成される電極接合体と、
溝部と前記溝部を隔てるリブとが形成され、前記溝部によって反応ガスの流路を構成するセパレータと、
を備え、前記セパレータと前記電極接合体とを交互に積層した燃料電池において、
前記セパレータの溝部と、前記リブと、前記電極接合体とによって囲まれた空間によって、反応ガス流路を構成し、
前記反応ガス流路は、
反応ガスが供給される系と同一空間を形成する反応ガス吸気側ガス流路と、
反応ガスが排出される系と同一空間を形成し、前記反応ガスが供給される系と別空間を形成する反応排気側ガス流路と、
を備え、
前記反応ガス吸気側ガス流路に供給された反応ガスは、前記ガス拡散層を通過して前記反応ガス排気側ガス流路へと排出され、
前記反応ガス排気側ガス流路は、前記リブの、前記電極接合体に接しない側に形成された反応ガス排気側溝部と、前記電極接合体に接し、前記反応ガス排気側溝部に連通する複数の連通孔と、から構成され、
前記連通孔は、前記ガス拡散層と連通する部分の幅が、前記反応ガス排出側溝部の幅よりも小さく構成されていることを特徴とする燃料電池。 An electrode catalyst layer provided on each of an anode and a cathode of the electrolyte membrane; a gas diffusion layer provided on each of the electrode catalyst layers, for supplying a reaction gas and collecting power generated in the electrode catalyst layer; An electrode assembly constituted by:
A separator that forms a groove and a rib that separates the groove, and constitutes a flow path of a reaction gas by the groove;
In a fuel cell in which the separator and the electrode assembly are alternately stacked,
A reaction gas flow path is constituted by a space surrounded by the groove portion of the separator, the rib, and the electrode assembly,
The reaction gas flow path is
A reaction gas intake side gas flow path that forms the same space as the system to which the reaction gas is supplied;
A reaction exhaust side gas flow path that forms the same space as the system from which the reaction gas is discharged and forms a separate space from the system to which the reaction gas is supplied;
With
The reaction gas supplied to the reaction gas intake side gas flow path passes through the gas diffusion layer and is discharged to the reaction gas exhaust side gas flow path.
The reactive gas exhaust side gas flow path includes a reactive gas exhaust side groove formed on a side of the rib that does not contact the electrode assembly, and a plurality of the reactive gas exhaust side gas flow paths that are in contact with the electrode assembly and communicate with the reactive gas exhaust side groove. A communication hole, and
The fuel cell according to claim 1, wherein a width of a portion of the communication hole communicating with the gas diffusion layer is smaller than a width of the reactive gas discharge side groove. 前記セパレータは、断面が波型形状の第１の導電板と、断面が波型形状の第２の導電板と、前記第１の導電板及び第２の導電板に狭持される平板形状の第３の導電板とによって構成され、
前記リブは、前記第１の導電板の断面凸部によって構成され、
前記反応ガス吸気側ガス流路は、前記第１の導電板の断面凹部と、前記電極接合体とによって囲まれた空間によって構成され、
前記反応ガス排気側ガス流路は、前記第１の導電板の断面凸部と、前記第３の導電板とによって囲まれた空間によって構成され、
前記連通孔は、前記第１の導電板の断面凸部の前記電極接合体に接する部分から、前記反応ガス排気側ガス流路へと連通するように構成されることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池 The separator includes a first conductive plate having a corrugated cross section, a second conductive plate having a corrugated cross section, and a flat plate shape sandwiched between the first conductive plate and the second conductive plate. A third conductive plate,
The rib is constituted by a cross-sectional convex portion of the first conductive plate,
The reactive gas intake side gas flow path is configured by a space surrounded by a cross-sectional recess of the first conductive plate and the electrode assembly,
The reaction gas exhaust side gas flow path is configured by a space surrounded by a cross-sectional convex portion of the first conductive plate and the third conductive plate,
2. The communication hole is configured to communicate from a portion of the cross-sectional convex portion of the first conductive plate in contact with the electrode assembly to the reaction gas exhaust gas passage. The fuel cell described in 前記第１の導電板及び前記第２の導電板は、平板状の導電性板をプレス加工することによって断面が波形形状に加工されることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池。   3. The fuel cell according to claim 2, wherein the first conductive plate and the second conductive plate are processed to have a corrugated cross section by pressing a flat conductive plate. 4. 前記連通孔は、開口形状が長孔であり、前記リブを構成する前記第１の導電板の凸部毎に複数形成されていることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池。   3. The fuel cell according to claim 2, wherein the communication hole has an elongated opening shape and is formed in plural for each convex portion of the first conductive plate constituting the rib. 前記連通孔は、
前記リブを構成する前記第１の導電板の断面凸部の内側から前記反応ガス排気側ガス流路側へと突起して備えられ、
内径の断面積が前記電極接合体側から前記排気側ガス流路側に向かって暫時拡大し、
前記拡大側の端部は、前記反応ガス排気側ガス流路の壁面から離れるように構成されていることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池。 The communication hole is
Protruding from the inside of the convex section of the first conductive plate constituting the rib to the reaction gas exhaust side gas flow path side,
The cross-sectional area of the inner diameter is enlarged for a while from the electrode assembly side toward the exhaust side gas flow path side,
3. The fuel cell according to claim 2, wherein the end on the expansion side is configured to be separated from a wall surface of the reaction gas exhaust side gas flow path. 前記第２の導電板の断面凹部と、前記第３の導電板とによって囲まれた空間によって冷却水流路を構成し、
前記冷却水流路の幅は、前記第３の導電板を挟んで対峙する前記反応ガス排気側ガス流路の幅よりも狭く構成されていることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池。 A cooling water flow path is constituted by a space surrounded by a cross-sectional recess of the second conductive plate and the third conductive plate;
3. The fuel cell according to claim 2, wherein a width of the cooling water flow path is narrower than a width of the reaction gas exhaust side gas flow path facing each other with the third conductive plate interposed therebetween. 前記連通孔の幅は、前記ガス拡散層の厚さの２倍以下であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。   2. The fuel cell according to claim 1, wherein a width of the communication hole is not more than twice a thickness of the gas diffusion layer. 前記反応ガス排気側ガス流路の断面積Ａは、
Ａ≧Ｂ１
かつ、
Ａ≦（１＋（（Ｂ１／Ｃ１）＾２）×Ｃ２×Ｂ２）
ただし、
Ａ：反応ガス排気側ガス流路の断面積、
Ｂ１：反応ガス吸気側ガス流路の断面積、
Ｂ２：反応ガス吸気側ガス流路の長さ、
Ｃ１：連通孔の断面積、
Ｃ２：連通孔の長さ、
となるように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。 The cross-sectional area A of the reaction gas exhaust gas path is:
A ≧ B1
And,
A ≦ (1 + ((B1 / C1) ^ 2) × C2 × B2)
However,
A: the cross-sectional area of the reaction gas exhaust gas path,
B1: Cross-sectional area of the reaction gas intake side gas flow path,
B2: length of reaction gas intake side gas flow path,
C1: cross-sectional area of the communication hole,
C2: length of communication hole,
The fuel cell according to claim 1, wherein the fuel cell is configured as follows. 前記ガス拡散層が親水性であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。   The fuel cell according to claim 1, wherein the gas diffusion layer is hydrophilic. 前記反応ガス流路が水平方向となるように前記セパレータ及び前記電極複合体が配置され、かつ、前記電極複合体は、前記反応ガス吸気側ガス流路及び反応ガス排気側ガス流路の水平方向の上方に配置されていることを特徴とする請求項９に記載の燃料電池。   The separator and the electrode assembly are arranged so that the reaction gas channel is in a horizontal direction, and the electrode complex is in a horizontal direction of the reaction gas intake side gas channel and the reaction gas exhaust side gas channel. The fuel cell according to claim 9, wherein the fuel cell is disposed above. 前記反応ガス流路を構成する前記セパレータの溝部の内面が親水性であることを特徴とする請求項１０に記載の燃料電池。   11. The fuel cell according to claim 10, wherein an inner surface of a groove portion of the separator constituting the reaction gas flow path is hydrophilic.
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