JP2015060732A - Fuel cell - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To improve drainage of generated water and facilitate compactification.SOLUTION: A fuel cell 10 has an electrolyte film/electrode structure 32 held between a first separator 34 and a second separator 36. The lowermost end positions of oxidant gas outlet communication holes 38b and a fuel gas outlet communication hole 40b, which are disposed below opposite ends in the horizontal direction of the first separator 34 and the second separator 36, are set lower than the lower end of an electrode reaction surface 60. Arc-shaped notch shape parts 62 are respectively disposed on the bottom side of the first separator 34 and the bottom side of the second separator 36.

Description

本発明は、電解質膜の両側に一対の電極を設ける電解質膜・電極構造体と、横長形状のセパレータとが水平方向に積層される燃料電池に関する。   The present invention relates to a fuel cell in which an electrolyte membrane / electrode structure provided with a pair of electrodes on both sides of an electrolyte membrane and a horizontally elongated separator are stacked in the horizontal direction.

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電解質膜の両側に、それぞれアノード電極及びカソード電極を配設した電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を備えている。電解質膜・電極構造体は、セパレータによって挟持されることにより、発電セルが構成されている。この燃料電池は、通常、所定の数の発電セルを積層することにより、車載用燃料電池スタックとして使用されている。   For example, a polymer electrolyte fuel cell includes an electrolyte membrane / electrode structure (MEA) in which an anode electrode and a cathode electrode are provided on both sides of an electrolyte membrane made of a polymer ion exchange membrane. The electrolyte membrane / electrode structure is sandwiched between separators to constitute a power generation cell. This fuel cell is usually used as an in-vehicle fuel cell stack by stacking a predetermined number of power generation cells.

燃料電池では、積層されている各発電セルのアノード電極及びカソード電極に、それぞれ反応ガスである燃料ガス及び酸化剤ガスを供給するため、所謂、内部マニホールド型燃料電池を構成する場合が多い。   In a fuel cell, a so-called internal manifold type fuel cell is often configured to supply a fuel gas and an oxidant gas, which are reaction gases, to the anode electrode and the cathode electrode of each of the stacked power generation cells.

内部マニホールド型燃料電池は、それぞれ発電セルの積層方向に貫通して設けられる反応ガス入口連通孔（燃料ガス入口連通孔及び酸化剤ガス入口連通孔）と反応ガス出口連通孔（燃料ガス出口連通孔及び酸化剤ガス出口連通孔）とを備えている。反応ガス入口連通孔及び反応ガス出口連通孔は、電極面に沿って反応ガスを供給する反応ガス流路（燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路）に連通している。反応ガス流路の入口側及び出口側には、反応ガス入口連通孔及び反応ガス出口連通孔がそれぞれ連通している。   The internal manifold type fuel cell includes a reaction gas inlet communication hole (fuel gas inlet communication hole and an oxidant gas inlet communication hole) and a reaction gas outlet communication hole (fuel gas outlet communication hole) that are provided to penetrate in the stacking direction of the power generation cells. And an oxidant gas outlet communication hole). The reaction gas inlet communication hole and the reaction gas outlet communication hole communicate with a reaction gas channel (a fuel gas channel and an oxidant gas channel) that supplies the reaction gas along the electrode surface. A reaction gas inlet communication hole and a reaction gas outlet communication hole communicate with the inlet side and the outlet side of the reaction gas channel, respectively.

ところで、燃料電池の発電時には、カソード電極側に反応による生成水が発生し、この生成水が酸化剤ガス出口連通孔に滞留し易い。一方、アノード電極側には、生成水が逆拡散し、燃料ガス出口連通孔に滞留水が惹起する場合がある。従って、酸化剤ガス出口連通孔や燃料ガス出口連通孔は、滞留水により閉塞されるおそれがある。これにより、酸化剤ガスや燃料ガスの流れが阻害され、前記酸化剤ガスや前記燃料ガスの供給不足による発電性能の低下が発生するという問題がある。   By the way, at the time of power generation of the fuel cell, generated water is generated by the reaction on the cathode electrode side, and this generated water tends to stay in the oxidant gas outlet communication hole. On the other hand, on the anode electrode side, the generated water may reversely diffuse and stagnant water may arise in the fuel gas outlet communication hole. Therefore, the oxidant gas outlet communication hole and the fuel gas outlet communication hole may be clogged with the accumulated water. As a result, there is a problem that the flow of the oxidant gas and the fuel gas is hindered and the power generation performance is deteriorated due to insufficient supply of the oxidant gas and the fuel gas.

そこで、例えば、特許文献１に開示されている燃料電池用セパレータが知られている。この燃料電池用セパレータでは、一方の面にアノードガスを流通させるアノードガス流路を備えている。アノードガス流路の一端には、アノードガスを前記アノードガス流路に供給するアノードガス入口マニホールドが形成されている。アノードガス流路の他端には、アノードガスを前記アノードガス流路から排出するアノードガス出口マニホールドが形成されている。   Therefore, for example, a fuel cell separator disclosed in Patent Document 1 is known. This separator for a fuel cell is provided with an anode gas flow path for allowing the anode gas to flow on one surface. At one end of the anode gas channel, an anode gas inlet manifold for supplying the anode gas to the anode gas channel is formed. At the other end of the anode gas flow path, an anode gas outlet manifold for discharging the anode gas from the anode gas flow path is formed.

そして、燃料電池用セパレータは、アノードガス出口マニホールドを形成する貫通孔を、当該セパレータの面方向に拡張させて水溜り部を形成しており、前記水溜り部には、アノードガス流路の出口から排出される生成水が貯留されている。   In the fuel cell separator, the through hole forming the anode gas outlet manifold is expanded in the surface direction of the separator to form a water reservoir, and the water reservoir has an outlet of the anode gas channel. The generated water discharged from is stored.

特開２０１０−１２９４８２号公報JP 2010-129482 A

しかしながら、上記の特許文献１では、アノードガス出口マニホールドを形成する貫通孔が、拡張して形成されている。このため、燃料電池用セパレータ自体が相当に大型化するという問題がある。従って、例えば、燃料電池を燃料電池車両に搭載する際に、搭載スペースが拡大してしまい、レイアウトが困難になるというおそれがある。   However, in Patent Document 1 described above, the through hole forming the anode gas outlet manifold is formed in an expanded manner. For this reason, there exists a problem that the separator for fuel cells itself enlarges considerably. Therefore, for example, when a fuel cell is mounted on a fuel cell vehicle, the mounting space may be increased, and layout may become difficult.

本発明は、この種の問題を解決するものであり、生成水の排水性を向上させるとともに、容易にコンパクト化を図ることが可能な燃料電池を提供することを目的とする。   An object of the present invention is to solve this type of problem and to provide a fuel cell that can improve the drainage of generated water and can be easily made compact.

本発明に係る燃料電池では、電解質膜の両側に一対の電極を設ける電解質膜・電極構造体と、横長形状のセパレータとが水平方向に積層されている。セパレータの水平方向両端には、少なくとも燃料ガス、酸化剤ガス又は冷却媒体を積層方向に流通させる流体連通孔が形成されている。   In the fuel cell according to the present invention, an electrolyte membrane / electrode structure in which a pair of electrodes are provided on both sides of the electrolyte membrane, and a horizontally long separator are stacked in the horizontal direction. At both ends in the horizontal direction of the separator, fluid communication holes through which at least fuel gas, oxidant gas or cooling medium flows in the stacking direction are formed.

そして、セパレータの水平方向両端下方に配置される流体連通孔の最下端位置は、電極反応面の下端よりも下方に設定されるとともに、前記セパレータの底辺には、円弧状の切り欠き形状部が設けられている。   The lowermost position of the fluid communication hole disposed below both ends of the separator in the horizontal direction is set below the lower end of the electrode reaction surface, and an arc-shaped notch-shaped portion is formed on the bottom side of the separator. Is provided.

また、この燃料電池では、流体連通孔は、燃料ガス入口連通孔、燃料ガス出口連通孔、酸化剤ガス入口連通孔、酸化剤ガス出口連通孔、冷却媒体入口連通孔及び冷却媒体出口連通孔を有することが好ましい。燃料ガス出口連通孔及び酸化剤ガス出口連通孔の最下端位置と、少なくとも冷却媒体出口連通孔又は冷却媒体入口連通孔の最下端位置とは、電極反応面の下端よりも下方に設定されることが好ましい。   In this fuel cell, the fluid communication hole includes a fuel gas inlet communication hole, a fuel gas outlet communication hole, an oxidant gas inlet communication hole, an oxidant gas outlet communication hole, a cooling medium inlet communication hole, and a cooling medium outlet communication hole. It is preferable to have. The lowermost position of the fuel gas outlet communication hole and the oxidant gas outlet communication hole and at least the lowermost position of the cooling medium outlet communication hole or the cooling medium inlet communication hole should be set lower than the lower end of the electrode reaction surface. Is preferred.

さらに、この燃料電池では、燃料電池は、燃料電池車両に搭載されるとともに、セパレータの切り欠き形状部は、前記燃料電池車両を構成する車両走行用モータの外形形状に対応する形状に設定されることが好ましい。   Further, in this fuel cell, the fuel cell is mounted on the fuel cell vehicle, and the notch shape portion of the separator is set to a shape corresponding to the outer shape of the vehicle driving motor constituting the fuel cell vehicle. It is preferable.

本発明によれば、セパレータの水平方向両端下方に配置される流体連通孔の最下端位置は、電極反応面の下端よりも下方に設定されている。このため、生成水の排出性を良好に確保することができる。しかも、セパレータの底辺には、円弧状の切り欠き形状部が設けられている。従って、切り欠き形状部に対応して、他の部品を配置させることができ、燃料電池全体を容易にコンパクト化することが可能になる。これにより、燃料電池は、例えば、燃料電池車両内へのレイアウトが容易に遂行され、レイアウト性の向上が図られる。   According to the present invention, the lowest end position of the fluid communication hole disposed below both ends in the horizontal direction of the separator is set below the lower end of the electrode reaction surface. For this reason, the discharge | emission property of produced | generated water can be ensured favorable. In addition, an arc-shaped notch-shaped portion is provided on the bottom side of the separator. Therefore, it is possible to arrange other parts corresponding to the notch shape portion, and it is possible to easily downsize the entire fuel cell. Thereby, for example, the layout of the fuel cell in the fuel cell vehicle can be easily performed, and the layout can be improved.

本発明の実施形態に係る燃料電池が搭載される燃料電池車両の要部側面説明図である。It is principal part side explanatory drawing of the fuel cell vehicle by which the fuel cell which concerns on embodiment of this invention is mounted. 前記燃料電池が積層された燃料電池スタックの第１エンドプレート側からの斜視説明図である。FIG. 3 is an explanatory perspective view from the side of a first end plate of a fuel cell stack in which the fuel cells are stacked. 前記燃料電池スタックの第２エンドプレート側からの斜視説明図である。It is a perspective explanatory view from the 2nd end plate side of the fuel cell stack. 前記燃料電池の要部分解斜視図である。It is a principal part disassembled perspective view of the said fuel cell. 前記燃料電池の正面説明図である。It is front explanatory drawing of the said fuel cell.

図１〜図３に示すように、本発明の実施形態に係る燃料電池１０は、水平方向に複数積層されて燃料電池スタック１２を構成する。図１に示すように、燃料電池スタック１２は、燃料電池車両（燃料電池電気自動車）１４のフロントボックス（所謂、モータルーム）１４ａに収容される。   As shown in FIGS. 1 to 3, a plurality of fuel cells 10 according to an embodiment of the present invention are stacked in the horizontal direction to constitute a fuel cell stack 12. As shown in FIG. 1, the fuel cell stack 12 is accommodated in a front box (so-called motor room) 14 a of a fuel cell vehicle (fuel cell electric vehicle) 14.

フロントボックス１４ａには、走行用モータ１６が配置される。走行用モータ１６の回転軸は、燃料電池車両１４の車幅方向に延びている。走行用モータ１６は、燃料電池車両１４の車長方向（矢印Ａ方向）両端に、一対のマウント部１６ａと一対のマウント部１６ｂとが外方に突出して膨出形成される。マウント部１６ａとマウント部１６ｂとは、車長方向（矢印Ａ方向）に交差する車幅方向（矢印Ｂ方向）に所定の間隔だけ離間して設けられる。具体的には、後述する第１エンドプレート２４ａと第２エンドプレート２４ｂとの間隔に対応して設けられる。   A traveling motor 16 is disposed in the front box 14a. The rotating shaft of the traveling motor 16 extends in the vehicle width direction of the fuel cell vehicle 14. The travel motor 16 is formed with a pair of mount portions 16a and a pair of mount portions 16b protruding outward at both ends of the fuel cell vehicle 14 in the vehicle length direction (arrow A direction). The mount portion 16a and the mount portion 16b are provided at a predetermined interval in the vehicle width direction (arrow B direction) intersecting the vehicle length direction (arrow A direction). Specifically, it is provided corresponding to the interval between a first end plate 24a and a second end plate 24b which will be described later.

マウント部１６ａとマウント部１６ｂとには、それぞれボルト１８を介して燃料電池スタック１２を構成する第１エンドプレート２４ａと第２エンドプレート２４ｂとが固定される。なお、本実施形態では、燃料電池スタック１２が走行用モータ１６の上部に搭載されているが、これに限定されるものではなく、他の設備に搭載可能である。   A first end plate 24a and a second end plate 24b constituting the fuel cell stack 12 are fixed to the mount portion 16a and the mount portion 16b via bolts 18, respectively. In the present embodiment, the fuel cell stack 12 is mounted on the upper part of the traveling motor 16, but the present invention is not limited to this and can be mounted on other equipment.

燃料電池スタック１２は、図２及び図３に示すように、複数の燃料電池１０が、立位姿勢で燃料電池車両１４の車長方向（矢印Ａ方向）に交差する車幅方向（矢印Ｂ方向）に積層される。燃料電池１０は、発電面が鉛直方向に沿って立位姿勢に配置されるとともに、各長辺が上辺及び下辺として配置されることにより、積層体１０ａｓを構成する。   2 and 3, the fuel cell stack 12 includes a plurality of fuel cells 10 in the vehicle width direction (arrow B direction) where the fuel cell vehicle 10 intersects the vehicle length direction (arrow A direction) of the fuel cell vehicle 14 in a standing posture. ). In the fuel cell 10, the power generation surface is arranged in a standing posture along the vertical direction, and each long side is arranged as an upper side and a lower side, thereby constituting a stacked body 10as.

積層体１０ａｓの積層方向一端には、第１ターミナルプレート２０ａ、第１絶縁プレート２２ａ及び第１エンドプレート２４ａが外方に向かって、順次、配設される。燃料電池１０の積層方向他端には、第２ターミナルプレート２０ｂ、第２絶縁プレート２２ｂ及び第２エンドプレート２４ｂが外方に向かって、順次、配設される。   At one end in the stacking direction of the stacked body 10as, the first terminal plate 20a, the first insulating plate 22a, and the first end plate 24a are sequentially disposed outward. At the other end in the stacking direction of the fuel cell 10, a second terminal plate 20b, a second insulating plate 22b, and a second end plate 24b are sequentially disposed outward.

第１エンドプレート２４ａの略中央部からは、第１ターミナルプレート２０ａに接続された第１出力端子２６ａが延在する。第２エンドプレート２４ｂの略中央部からは、第２ターミナルプレート２０ｂに接続された第２出力端子２６ｂが延在する。   A first output terminal 26a connected to the first terminal plate 20a extends from a substantially central portion of the first end plate 24a. A second output terminal 26b connected to the second terminal plate 20b extends from a substantially central portion of the second end plate 24b.

第１エンドプレート２４ａと第２エンドプレート２４ｂの各長辺間には、連結バー（締結部材）２８の両端がねじ３０により固定される。第１エンドプレート２４ａと第２エンドプレート２４ｂの各短辺間には、連結バー２８の両端がねじ３０により固定される。燃料電池スタック１２には、各連結バー２８により、複数の積層された燃料電池１０に積層方向（矢印Ｂ方向）の締め付け荷重が付与される。   Both ends of a connecting bar (fastening member) 28 are fixed by screws 30 between the long sides of the first end plate 24a and the second end plate 24b. Both ends of the connecting bar 28 are fixed by screws 30 between the short sides of the first end plate 24a and the second end plate 24b. A fastening load in the stacking direction (arrow B direction) is applied to the fuel cell stack 12 by the connecting bars 28 to the stacked fuel cells 10.

図４に示すように、燃料電池１０は、横長の長方形状を有するとともに、電解質膜・電極構造体３２が、第１セパレータ３４及び第２セパレータ３６に挟持される。横長形状の第１セパレータ３４及び第２セパレータ３６は、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の金属セパレータやカーボンセパレータにより構成される。   As shown in FIG. 4, the fuel cell 10 has a horizontally long rectangular shape, and the electrolyte membrane / electrode structure 32 is sandwiched between the first separator 34 and the second separator 36. The horizontally long first separator 34 and the second separator 36 are made of, for example, a metal separator such as a steel plate, a stainless steel plate, an aluminum plate, or a plated steel plate, or a carbon separator.

燃料電池１０の矢印Ａ方向（図４中、水平方向）の一端縁部には、積層方向である矢印Ｂ方向に互いに連通して、酸化剤ガス入口連通孔３８ａ及び燃料ガス出口連通孔４０ｂが設けられる。酸化剤ガス入口連通孔３８ａは、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給する一方、燃料ガス出口連通孔４０ｂは、燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出する。酸化剤ガス入口連通孔３８ａ及び燃料ガス出口連通孔４０ｂは、矢印Ｃ方向（鉛直方向）に配列して設けられる。   An oxidant gas inlet communication hole 38a and a fuel gas outlet communication hole 40b are communicated with each other in the arrow B direction, which is the stacking direction, at one edge of the fuel cell 10 in the arrow A direction (horizontal direction in FIG. 4). Provided. The oxidant gas inlet communication hole 38a supplies an oxidant gas, for example, an oxygen-containing gas, while the fuel gas outlet communication hole 40b discharges a fuel gas, for example, a hydrogen-containing gas. The oxidant gas inlet communication hole 38a and the fuel gas outlet communication hole 40b are arranged in the direction of arrow C (vertical direction).

燃料電池１０の矢印Ａ方向の他端縁部には、矢印Ｂ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４０ａ、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３８ｂが、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。   The other end edge of the fuel cell 10 in the direction of arrow A communicates with each other in the direction of arrow B, a fuel gas inlet communication hole 40a for supplying fuel gas, and an oxidant gas for discharging oxidant gas. Outlet communication holes 38b are arranged in the direction of arrow C.

燃料電池１０の矢印Ｃ方向の上端縁部には、冷却媒体を供給するための一対の冷却媒体入口連通孔４２ａが設けられる。燃料電池１０の矢印Ｃ方向の下端縁部には、冷却媒体を排出するための一対の冷却媒体出口連通孔４２ｂが設けられる。   A pair of cooling medium inlet communication holes 42a for supplying a cooling medium is provided at the upper edge of the fuel cell 10 in the direction of arrow C. A pair of cooling medium outlet communication holes 42 b for discharging the cooling medium is provided at the lower edge of the fuel cell 10 in the direction of arrow C.

酸化剤ガス入口連通孔３８ａ及び燃料ガス入口連通孔４０ａは、開口形状が三角形（矩形でもよい）に設定される。酸化剤ガス出口連通孔３８ｂ及び燃料ガス出口連通孔４０ｂは、上方の開口形状が三角形で且つ下方の開口形状が矩形状に設定される。酸化剤ガス出口連通孔３８ｂ及び燃料ガス出口連通孔４０ｂは、酸化剤ガス入口連通孔３８ａ及び燃料ガス入口連通孔４０ａに比べて、鉛直方向に長尺に構成される。   The opening shape of the oxidant gas inlet communication hole 38a and the fuel gas inlet communication hole 40a is set to a triangular shape (or a rectangular shape). The oxidant gas outlet communication hole 38b and the fuel gas outlet communication hole 40b are set such that the upper opening shape is triangular and the lower opening shape is rectangular. The oxidant gas outlet communication hole 38b and the fuel gas outlet communication hole 40b are configured to be longer in the vertical direction than the oxidant gas inlet communication hole 38a and the fuel gas inlet communication hole 40a.

一対の冷却媒体入口連通孔４２ａは、開口形状が横長の矩形に設定される。一対の冷却媒体出口連通孔４２ｂは、開口形状が三角形に設定される。冷却媒体出口連通孔４２ｂは、後述する円弧状の切り欠き形状部６２により形状が規制されており、可能であれば開口形状を矩形に設定してもよい。   The pair of cooling medium inlet communication holes 42a has an opening shape that is a horizontally long rectangle. The pair of cooling medium outlet communication holes 42b has a triangular opening shape. The shape of the cooling medium outlet communication hole 42b is regulated by an arc-shaped notch-shaped portion 62 described later, and the opening shape may be set to a rectangle if possible.

第１セパレータ３４の電解質膜・電極構造体３２に向かう面３４ａには、酸化剤ガス入口連通孔３８ａと酸化剤ガス出口連通孔３８ｂとに連通し、矢印Ａ方向に延在する酸化剤ガス流路４４が設けられる。酸化剤ガス流路４４の入口側には、複数のエンボスを有する入口バッファ部４５ａが設けられる一方、前記酸化剤ガス流路４４の出口側には、複数のエンボスを有する出口バッファ部４５ｂが設けられる。   On the surface 34a of the first separator 34 facing the electrolyte membrane / electrode structure 32, an oxidant gas flow that communicates with the oxidant gas inlet communication hole 38a and the oxidant gas outlet communication hole 38b and extends in the arrow A direction. A path 44 is provided. An inlet buffer portion 45 a having a plurality of embosses is provided on the inlet side of the oxidant gas flow channel 44, while an outlet buffer portion 45 b having a plurality of embosses is provided on the outlet side of the oxidant gas flow channel 44. It is done.

第２セパレータ３６の電解質膜・電極構造体３２に向かう面３６ａには、燃料ガス入口連通孔４０ａと燃料ガス出口連通孔４０ｂとに連通し、矢印Ａ方向に延在する燃料ガス流路４６が設けられる。燃料ガス流路４６の入口側には、複数のエンボスを有する入口バッファ部４７ａが設けられる一方、前記燃料ガス流路４６の出口側には、複数のエンボスを有する出口バッファ部４７ｂが設けられる。   A fuel gas channel 46 that communicates with the fuel gas inlet communication hole 40a and the fuel gas outlet communication hole 40b and extends in the direction of arrow A is formed on the surface 36a of the second separator 36 facing the electrolyte membrane / electrode structure 32. Provided. An inlet buffer portion 47a having a plurality of embosses is provided on the inlet side of the fuel gas passage 46, while an outlet buffer portion 47b having a plurality of embosses is provided on the outlet side of the fuel gas passage 46.

互いに隣接する燃料電池１０を構成する第１セパレータ３４の面３４ｂと、第２セパレータ３６の面３６ｂとの間には、冷却媒体入口連通孔４２ａと冷却媒体出口連通孔４２ｂとを連通する冷却媒体流路４８が設けられる。   A cooling medium that connects the cooling medium inlet communication hole 42a and the cooling medium outlet communication hole 42b between the surface 34b of the first separator 34 and the surface 36b of the second separator 36 that constitute the fuel cells 10 adjacent to each other. A flow path 48 is provided.

第１セパレータ３４及び第２セパレータ３６には、それぞれシール部材５０、５２が、一体的又は個別に設けられる。シール部材５０、５２は、例えば、ＥＰＤＭ、ＮＢＲ、フッ素ゴム、シリコーンゴム、フロロシリコーンゴム、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等の弾性を有するシール部材を使用する。   The first separator 34 and the second separator 36 are respectively provided with seal members 50 and 52 integrally or individually. The sealing members 50 and 52 are made of, for example, EPDM, NBR, fluorine rubber, silicone rubber, fluorosilicone rubber, butyl rubber, natural rubber, styrene rubber, chloroplane, acrylic rubber, or other sealing materials, cushioning materials, packing materials, etc. A sealing member having elasticity is used.

電解質膜・電極構造体３２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５４と、前記固体高分子電解質膜５４を挟持するカソード電極５６及びアノード電極５８とを備える。   The electrolyte membrane / electrode structure 32 includes, for example, a solid polymer electrolyte membrane 54 in which a perfluorosulfonic acid thin film is impregnated with water, and a cathode electrode 56 and an anode electrode 58 sandwiching the solid polymer electrolyte membrane 54. Prepare.

カソード電極５６及びアノード電極５８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て形成される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５４の両面に形成されている。   The cathode electrode 56 and the anode electrode 58 are an electrode catalyst formed by uniformly applying a gas diffusion layer made of carbon paper or the like and porous carbon particles carrying a platinum alloy supported on the surface of the gas diffusion layer. And having a layer. The electrode catalyst layers are formed on both surfaces of the solid polymer electrolyte membrane 54.

図５に示すように、第１セパレータ３４及び第２セパレータ３６において、水平方向両端下方に配置される酸化剤ガス出口連通孔３８ｂの最下端位置３８ｂｅ及び燃料ガス出口連通孔４０ｂの最下端位置４０ｂｅは、電極反応面６０の下端６０ｅよりも下方に設定される。電極反応面６０は、カソード電極５６を構成する電極触媒層とアノード電極５８を構成する電極触媒層とが、積層方向に互いに重なり合う領域であり、実際に発電反応が惹起される範囲をいう。   As shown in FIG. 5, in the first separator 34 and the second separator 36, the lowermost position 38be of the oxidant gas outlet communication hole 38b and the lowermost position 40be of the fuel gas outlet communication hole 40b, which are disposed below both ends in the horizontal direction. Is set below the lower end 60e of the electrode reaction surface 60. The electrode reaction surface 60 is a region in which the electrode catalyst layer constituting the cathode electrode 56 and the electrode catalyst layer constituting the anode electrode 58 overlap each other in the stacking direction, and refers to a range where a power generation reaction is actually induced.

本実施形態では、一対の冷却媒体出口連通孔４２ｂの最下端位置４２ｂｅ、より好ましくは、該最下端位置４２ｂｅを含む全領域は、電極反応面６０の下端６０ｅよりも下方に設定される。なお、一対の冷却媒体入口連通孔４２ａを矢印Ｃ方向一方の端部側に上下に設け、一対の冷却媒体出口連通孔４２ｂを矢印Ｃ方向他方の端部側に上下に設ける場合がある。その際、１つの冷却媒体入口連通孔４２ａ及び１つの冷却媒体出口連通孔４２ｂは、それぞれの最下端位置が電極反応面６０の下端６０ｅよりも下方に設定されることになる。   In the present embodiment, the lowermost position 42be of the pair of cooling medium outlet communication holes 42b, more preferably, the entire region including the lowermost position 42be is set below the lower end 60e of the electrode reaction surface 60. In some cases, the pair of cooling medium inlet communication holes 42a are provided vertically on one end side in the arrow C direction, and the pair of cooling medium outlet communication holes 42b are provided vertically on the other end side in the arrow C direction. At that time, the lowermost position of each cooling medium inlet communication hole 42 a and one cooling medium outlet communication hole 42 b is set lower than the lower end 60 e of the electrode reaction surface 60.

第１セパレータ３４及び第２セパレータ３６の底辺には、円弧状の切り欠き形状部６２が設けられている。切り欠き形状部６２は、例えば、走行用モータ１６の外形形状に対応する形状に設定される。なお、切り欠き形状部６２には、他の設備を配置することも可能であり、その際、前記切り欠き形状部６２の形状は、収容配置される他の設備の外形形状に対応して設定される。また、電解質膜・電極構造体３２においても、同様に構成される。走行用モータ１６の上方と酸化剤ガス出口連通孔３８ｂ、燃料ガス出口連通孔４０ｂ及び冷却媒体出口連通孔４２ｂとは、重力方向において重なり部を有する。   An arc-shaped cutout portion 62 is provided on the bottom side of the first separator 34 and the second separator 36. The notch shape part 62 is set to a shape corresponding to the outer shape of the traveling motor 16, for example. In addition, it is possible to arrange other equipment in the notch shape portion 62, and in this case, the shape of the notch shape portion 62 is set corresponding to the outer shape of the other equipment accommodated and arranged. Is done. Further, the electrolyte membrane / electrode structure 32 is configured in the same manner. The upper portion of the traveling motor 16 and the oxidant gas outlet communication hole 38b, the fuel gas outlet communication hole 40b, and the cooling medium outlet communication hole 42b have overlapping portions in the direction of gravity.

図２に示すように、第１エンドプレート２４ａの底辺には、円弧状の切り欠き形状部６２ａが設けられる一方、図３に示すように、第２エンドプレート２４ｂの底辺には、円弧状の切り欠き形状部６２ｂが設けられる。切り欠き形状部６２ａ、６２ｂは、例えば、走行用モータ１６の外形形状に対応する形状に設定される。   As shown in FIG. 2, the bottom of the first end plate 24a is provided with an arc-shaped notch-shaped portion 62a. On the other hand, as shown in FIG. A notch-shaped portion 62b is provided. The notch shape portions 62 a and 62 b are set to a shape corresponding to the outer shape of the traveling motor 16, for example.

図２に示すように、第１エンドプレート２４ａの底辺の両側には、それぞれねじ穴６４ａが形成され、走行用モータ１６の各マウント部１６ａにボルト１８を介して固定される。図３に示すように、第２エンドプレート２４ｂの底辺には、一対のねじ穴６４ｂが形成され、走行用モータ１６の各マウント部１６ｂにボルト１８を介して固定される。   As shown in FIG. 2, screw holes 64 a are formed on both sides of the bottom side of the first end plate 24 a, and are fixed to each mount portion 16 a of the traveling motor 16 via bolts 18. As shown in FIG. 3, a pair of screw holes 64 b are formed on the bottom side of the second end plate 24 b and are fixed to each mount portion 16 b of the traveling motor 16 via bolts 18.

第１エンドプレート２４ａには、図２に示すように、酸化剤ガス供給マニホールド６６ａ、酸化剤ガス排出マニホールド６６ｂ、燃料ガス供給マニホールド６８ａ及び燃料ガス排出マニホールド６８ｂが、ボルト７０を介して取り付けられる。酸化剤ガス供給マニホールド６６ａは、酸化剤ガス入口連通孔３８ａに連通し、酸化剤ガス排出マニホールド６６ｂは、酸化剤ガス出口連通孔３８ｂに連通する。燃料ガス供給マニホールド６８ａは、燃料ガス入口連通孔４０ａに連通し、燃料ガス排出マニホールド６８ｂは、燃料ガス出口連通孔４０ｂに連通する。   As shown in FIG. 2, an oxidant gas supply manifold 66a, an oxidant gas discharge manifold 66b, a fuel gas supply manifold 68a, and a fuel gas discharge manifold 68b are attached to the first end plate 24a via bolts 70. The oxidant gas supply manifold 66a communicates with the oxidant gas inlet communication hole 38a, and the oxidant gas discharge manifold 66b communicates with the oxidant gas outlet communication hole 38b. The fuel gas supply manifold 68a communicates with the fuel gas inlet communication hole 40a, and the fuel gas discharge manifold 68b communicates with the fuel gas outlet communication hole 40b.

第２エンドプレート２４ｂには、図３に示すように、冷却媒体供給マニホールド７２と、一対の冷却媒体排出マニホールド７４、７４とが、ボルト７６を介して取り付けられる。冷却媒体供給マニホールド７２は、一対の冷却媒体入口連通孔４２ａに連通し、各冷却媒体排出マニホールド７４、７４は、各冷却媒体出口連通孔４２ｂ、４２ｂに連通する。   As shown in FIG. 3, a cooling medium supply manifold 72 and a pair of cooling medium discharge manifolds 74 and 74 are attached to the second end plate 24 b via bolts 76. The cooling medium supply manifold 72 communicates with the pair of cooling medium inlet communication holes 42a, and the cooling medium discharge manifolds 74 and 74 communicate with the cooling medium outlet communication holes 42b and 42b.

なお、上記の構成に代えて、第１エンドプレート２４ａに、全てのマニホールド（酸化剤ガス供給マニホールド６６ａ、酸化剤ガス排出マニホールド６６ｂ、燃料ガス供給マニホールド６８ａ、燃料ガス排出マニホールド６８ｂ、冷却媒体供給マニホールド７２及び一対の冷却媒体排出マニホールド７４）を設けてもよい。   Instead of the above configuration, all the manifolds (oxidant gas supply manifold 66a, oxidant gas discharge manifold 66b, fuel gas supply manifold 68a, fuel gas discharge manifold 68b, cooling medium supply manifold) are connected to the first end plate 24a. 72 and a pair of cooling medium discharge manifolds 74) may be provided.

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２に示すように、第１エンドプレート２４ａでは、酸化剤ガス供給マニホールド６６ａから酸化剤ガス入口連通孔３８ａには、酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給される。さらに、燃料ガス供給マニホールド６８ａから燃料ガス入口連通孔４０ａには、水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。一方、図３に示すように、第２エンドプレート２４ｂでは、冷却媒体供給マニホールド７２から一対の冷却媒体入口連通孔４２ａには、純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体が供給される。   First, as shown in FIG. 2, in the first end plate 24a, an oxidizing gas such as an oxygen-containing gas is supplied from the oxidizing gas supply manifold 66a to the oxidizing gas inlet communication hole 38a. Further, a fuel gas such as a hydrogen-containing gas is supplied from the fuel gas supply manifold 68a to the fuel gas inlet communication hole 40a. On the other hand, as shown in FIG. 3, in the second end plate 24b, a coolant such as pure water, ethylene glycol, or oil is supplied from the coolant supply manifold 72 to the pair of coolant supply passages 42a.

このため、図４に示すように、酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔３８ａから第１セパレータ３４の酸化剤ガス流路４４に導入される。酸化剤ガスは、矢印Ａ方向に移動しながら、電解質膜・電極構造体３２を構成するカソード電極５６に供給される。   Therefore, as shown in FIG. 4, the oxidant gas is introduced into the oxidant gas flow path 44 of the first separator 34 from the oxidant gas inlet communication hole 38 a. The oxidant gas is supplied to the cathode electrode 56 constituting the electrolyte membrane / electrode structure 32 while moving in the arrow A direction.

一方、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔４０ａから第２セパレータ３６の燃料ガス流路４６に導入される。この燃料ガスは、矢印Ａ方向に移動しながら、電解質膜・電極構造体３２を構成するアノード電極５８に供給される。   On the other hand, the fuel gas is introduced into the fuel gas flow path 46 of the second separator 36 from the fuel gas inlet communication hole 40a. The fuel gas is supplied to the anode electrode 58 constituting the electrolyte membrane / electrode structure 32 while moving in the arrow A direction.

従って、電解質膜・電極構造体３２では、カソード電極５６に供給される酸化剤ガスと、アノード電極５８に供給される燃料ガスとが、電極触媒層内で電気化学反応により消費され、発電が行われる。これにより、走行用モータ１６に電力が供給されるため、燃料電池車両１４は、走行可能になる。   Therefore, in the electrolyte membrane / electrode structure 32, the oxidizing gas supplied to the cathode electrode 56 and the fuel gas supplied to the anode electrode 58 are consumed by an electrochemical reaction in the electrode catalyst layer, and power generation is performed. Is called. Thereby, since electric power is supplied to the traveling motor 16, the fuel cell vehicle 14 can travel.

カソード電極５６に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス出口連通孔３８ｂに沿って矢印Ｂ方向に流通し、酸化剤ガス排出マニホールド６６ｂから排出される（図２参照）。一方、アノード電極５８に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス出口連通孔４０ｂに沿って矢印Ｂ方向に流通し、燃料ガス排出マニホールド６８ｂから排出される。   The oxidant gas consumed by being supplied to the cathode electrode 56 flows in the direction of arrow B along the oxidant gas outlet communication hole 38b, and is discharged from the oxidant gas discharge manifold 66b (see FIG. 2). On the other hand, the consumed fuel gas supplied to the anode electrode 58 flows in the direction of arrow B along the fuel gas outlet communication hole 40b and is discharged from the fuel gas discharge manifold 68b.

また、一対の冷却媒体入口連通孔４２ａに供給された冷却媒体は、第１セパレータ３４及び第２セパレータ３６間の冷却媒体流路４８に導入された後、矢印Ｃ方向に流通する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体３２を冷却した後、一対の冷却媒体出口連通孔４２ｂを流通し、一対の冷却媒体排出マニホールド７４から排出される（図３参照）。   The cooling medium supplied to the pair of cooling medium inlet communication holes 42 a is introduced into the cooling medium flow path 48 between the first separator 34 and the second separator 36 and then circulates in the direction of arrow C. After cooling the electrolyte membrane / electrode structure 32, the cooling medium flows through the pair of cooling medium outlet communication holes 42b and is discharged from the pair of cooling medium discharge manifolds 74 (see FIG. 3).

この場合、本実施形態では、図５に示すように、第１セパレータ３４及び第２セパレータ３６において、酸化剤ガス出口連通孔３８ｂの最下端位置３８ｂｅ及び燃料ガス出口連通孔４０ｂの最下端位置４０ｂｅは、電極反応面６０の下端６０ｅよりも下方に設定されている。このため、酸化剤ガス出口連通孔３８ｂ及び燃料ガス出口連通孔４０ｂからの生成水の排出性を良好に確保することができる。従って、酸化剤ガス出口連通孔３８ｂ及び燃料ガス出口連通孔４０ｂが閉塞されることを確実に抑制することが可能になる。しかも、電極反応面６０に生成水が逆流することを防止することができる。   In this case, in this embodiment, as shown in FIG. 5, in the first separator 34 and the second separator 36, the lowermost position 38be of the oxidant gas outlet communication hole 38b and the lowermost position 40be of the fuel gas outlet communication hole 40b. Is set below the lower end 60e of the electrode reaction surface 60. For this reason, it is possible to satisfactorily ensure the discharge of produced water from the oxidant gas outlet communication hole 38b and the fuel gas outlet communication hole 40b. Therefore, it is possible to reliably prevent the oxidant gas outlet communication hole 38b and the fuel gas outlet communication hole 40b from being blocked. In addition, the generated water can be prevented from flowing back to the electrode reaction surface 60.

しかも、第１セパレータ３４及び第２セパレータ３６の底辺には、円弧状の切り欠き形状部６２が設けられている。さらに、第１エンドプレート２４ａの底辺及び第２エンドプレート２４ｂの底辺には、円弧状の切り欠き形状部６２ａ及び６２ｂが設けられている。   In addition, arc-shaped notch portions 62 are provided on the bottom sides of the first separator 34 and the second separator 36. Further, arc-shaped cutout portions 62a and 62b are provided on the bottom side of the first end plate 24a and the bottom side of the second end plate 24b.

これにより、切り欠き形状部６２、６２ａ及び６２ｂに対応して、他の部品を配置することができ、燃料電池１０全体を容易にコンパクト化することが可能になる。例えば、切り欠き形状部６２、６２ａ及び６２ｂは、走行用モータ１６の外形形状に対応する形状に設定されている。このため、燃料電池スタック１２の内方に、走行用モータ１６を収容配置させることができる。   As a result, other parts can be arranged corresponding to the notch-shaped portions 62, 62a and 62b, and the entire fuel cell 10 can be easily made compact. For example, the cutout portions 62, 62 a and 62 b are set to a shape corresponding to the outer shape of the traveling motor 16. For this reason, the traveling motor 16 can be accommodated in the fuel cell stack 12.

従って、燃料電池スタック１２及び走行用モータ１６を含む高さ方向の占有寸法を可及的に短尺化させることが可能になる。これにより、燃料電池スタック１２は、燃料電池車両１４内へのレイアウトが容易に遂行され、レイアウト性の向上が図られるという効果が得られる。   Therefore, the occupied dimension in the height direction including the fuel cell stack 12 and the traveling motor 16 can be shortened as much as possible. As a result, the fuel cell stack 12 can be easily laid out in the fuel cell vehicle 14 and the layout can be improved.

１０…燃料電池 １２…燃料電池スタック
１４…燃料電池車両 １４ａ…フロントボックス
１６…走行用モータ ２４ａ、２４ｂ…エンドプレート
３２…電解質膜・電極構造体 ３４、３６…セパレータ
３８ａ…酸化剤ガス入口連通孔 ３８ｂ…酸化剤ガス出口連通孔
４０ａ…燃料ガス入口連通孔 ４０ｂ…燃料ガス出口連通孔
４２ａ…冷却媒体入口連通孔 ４２ｂ…冷却媒体出口連通孔
４４…酸化剤ガス流路 ４６…燃料ガス流路
４８…冷却媒体流路 ５０、５２…シール部材
５４…固体高分子電解質膜 ５６…カソード電極
５８…アノード電極 ６０…電極反応面
６２、６２ａ、６２ｂ…切り欠き形状部 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Fuel cell 12 ... Fuel cell stack 14 ... Fuel cell vehicle 14a ... Front box 16 ... Driving motor 24a, 24b ... End plate 32 ... Electrolyte membrane and electrode structure 34, 36 ... Separator 38a ... Oxidant gas inlet communication hole 38b ... Oxidant gas outlet communication hole 40a ... Fuel gas inlet communication hole 40b ... Fuel gas outlet communication hole 42a ... Cooling medium inlet communication hole 42b ... Cooling medium outlet communication hole 44 ... Oxidant gas flow path 46 ... Fuel gas flow path 48 ... Cooling medium flow path 50, 52 ... Seal member 54 ... Solid polymer electrolyte membrane 56 ... Cathode electrode 58 ... Anode electrode 60 ... Electrode reaction surface 62, 62a, 62b ... Notch-shaped part

Claims (3)

電解質膜の両側に一対の電極を設ける電解質膜・電極構造体と、横長形状のセパレータとが水平方向に積層されるとともに、前記セパレータの水平方向両端には、少なくとも燃料ガス、酸化剤ガス又は冷却媒体を積層方向に流通させる流体連通孔が形成される燃料電池であって、
前記セパレータの水平方向両端下方に配置される前記流体連通孔の最下端位置は、電極反応面の下端よりも下方に設定されるとともに、
前記セパレータの底辺には、円弧状の切り欠き形状部が設けられることを特徴とする燃料電池。 An electrolyte membrane / electrode structure provided with a pair of electrodes on both sides of the electrolyte membrane and a horizontally elongated separator are stacked in the horizontal direction, and at least fuel gas, oxidant gas or cooling are provided at both ends in the horizontal direction of the separator. A fuel cell in which a fluid communication hole for flowing a medium in a stacking direction is formed,
The lowermost position of the fluid communication hole disposed below both horizontal ends of the separator is set below the lower end of the electrode reaction surface,
An arc-shaped notch-shaped portion is provided on the bottom side of the separator. 請求項１記載の燃料電池において、前記流体連通孔は、燃料ガス入口連通孔、燃料ガス出口連通孔、酸化剤ガス入口連通孔、酸化剤ガス出口連通孔、冷却媒体入口連通孔及び冷却媒体出口連通孔を有し、
前記燃料ガス出口連通孔及び前記酸化剤ガス出口連通孔の最下端位置と、少なくとも前記冷却媒体出口連通孔又は前記冷却媒体入口連通孔の最下端位置とは、前記電極反応面の下端よりも下方に設定されることを特徴とする燃料電池。 2. The fuel cell according to claim 1, wherein the fluid communication hole includes a fuel gas inlet communication hole, a fuel gas outlet communication hole, an oxidant gas inlet communication hole, an oxidant gas outlet communication hole, a cooling medium inlet communication hole, and a cooling medium outlet. Have communication holes,
The lowermost position of the fuel gas outlet communication hole and the oxidant gas outlet communication hole and at least the lowermost position of the cooling medium outlet communication hole or the cooling medium inlet communication hole are lower than the lower end of the electrode reaction surface. A fuel cell characterized by being set to. 請求項１又は２記載の燃料電池において、前記燃料電池は、燃料電池車両に搭載されるとともに、
前記セパレータの前記切り欠き形状部は、前記燃料電池車両を構成する車両走行用モータの外形形状に対応する形状に設定されることを特徴とする燃料電池。 The fuel cell according to claim 1 or 2, wherein the fuel cell is mounted on a fuel cell vehicle,
The fuel cell according to claim 1, wherein the notch-shaped portion of the separator is set to a shape corresponding to an outer shape of a vehicle driving motor constituting the fuel cell vehicle.
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