JP3707384B2

JP3707384B2 - Fuel cell

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Publication number: JP3707384B2
Application number: JP2000352239A
Authority: JP
Inventors: 誠司水野
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2000-11-20
Filing date: 2000-11-20
Publication date: 2005-10-19
Anticipated expiration: 2017-12-18
Also published as: JP2001143725A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、燃料電池に関し、詳しくは、固体高分子電解質膜を一対の電極で挟持する接合体に供給ガスを供給する供給ガス流路に特徴を有する燃料電池、または、冷却水を供給する冷却水流路に特徴を有する燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、燃料の有しているエネルギを直接電気的エネルギに変換する装置として燃料電池が知られている。燃料電池は、通常、電解質膜を挟んで一対の電極を配置するとともに、一方の電極の表面に水素等の燃料ガスを接触させ、また他方の電極の表面に酸素を含有する酸素含有ガスを接触させ、このとき起こる電気化学反応を利用して、電極間から電気エネルギを取り出すようにしている。燃料電池は、燃料ガスと酸素含有ガスが供給されている限り高い効率で電気エネルギを取り出すことができる。
【０００３】
ところで、こうした燃料電池では、電極表面への燃料ガスや酸素含有ガスの供給を、これらガスの流路と集電極とを兼ねるセパレータと呼ばれる部材で行なっている。このセパレータとしては、直線状の流路溝を複数備えたストレート型のものが一般的である。また、複数の凸部を設け、その凸部間の隙間により流路を構成した分割リブ型のものも知られている。分割リブ型のセパレータは、水分が凝縮するいわゆるフラッディング等により一つの流路が閉塞されても、流路が複数方向に分散するため、ガスや生成水は他の流路に回り込むことが可能であることから、ガスの拡散性と生成水の排水性に優れている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記分割リブ型のセパレータを用いた燃料電池では、流路が複数方向に分散するため、ガスの流速が不足する恐れがあった。流速が不足すると、ガスの拡散性が阻害されて濃度分極が起こり、燃料電池の電池性能の低下をもたらすといった問題を生じた。また、ガスの流速が不足すると生成水の排水性が悪化する問題も生じた。
【０００５】
本発明は、こうした問題に鑑みてなされたもので、ガスの拡散性の阻害や排水性の悪化を解消して、より優れた電池性能を実現することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
本発明の第１の燃料電池は、
固体高分子電解質膜を一対の電極で挟持する接合体と、
該接合体に接触し、該電極の面に沿った方向に供給ガスを流す流路を形成する流路形成部材と
を備える燃料電池において、
前記流路形成部材は、
前記電極の面に対向する流路底面と、
該流路底面から突出する１または複数の直線状のリブ片と
を備え、
前記リブ片は、
前記流路底面上の領域を複数の領域に分けて連通させることにより、屈曲形状の前記流路を形成するとともに、各領域によって構成される区間の流路幅を、それぞれの区間内で一定とし、前記供給ガスの下流側に位置する区間ほど狭い大きさとなるよう構成し、
さらに、
前記流路形成部材は、
当該流路形成部材の内部を厚さ方向に貫通する前記供給ガス用の給排流路を備え、
前記給排流路は、
前記屈曲形状に形成された前記供給ガスの流路の両端において当該両端の流路方向端部と接するように配置されており、当該供給ガスの流路に連結されることにより、当該供給ガスの流路の方向に沿って前記供給ガスを供給または排出する構成であることを要旨としている。
【０００７】
ここで、上記供給ガスとしては、燃料電池のアノードに送る燃料ガスであってもよいし、カソードに送る酸素含有ガスであってもよい。
【０００８】
上記構成の燃料電池では、流路形成部材により、供給ガスの下流側方向に流路幅が漸減する複数の区画を備えた流路が形成されることから、供給ガスの流速をアップすることができる。このために、供給ガスの拡散性を高めて濃度分極を低減することができる。したがって、この燃料電池によれば、燃料電池の電池性能の向上を図ることができる。また、供給ガスの流速のアップにより、生成水の排水性の向上を図るという効果も奏する。
【００１０】
また、直線状のリブ片により流路を屈曲形状としたことで流路の全長が長くなっていることから、供給ガスとして湿度の低いドライガスが用いられた場合に、固体高分子電解質膜のドライアップを防止することができる。流路の全長が長くなると、下流に進むほど、供給ガスが次第に加湿されていくためであり、固体高分子電解質膜のドライアップを防止することができる。これによっても、燃料電池の電池性能の向上をより一層図ることができる。
【００１１】
本発明の第２の燃料電池は、
固体高分子電解質膜を一対の電極で挟持する接合体と、
該接合体に接触し、該電極の面に沿った方向に供給ガスを流す流路を形成する流路形成部材と
を備える燃料電池において、
前記流路形成部材は、
前記電極の面に対向する流路底面と、
該流路底面から突出する１または複数の直線状のリブ片と
を備え、
前記リブ片は、
前記流路底面上の領域を複数の領域に分けて連通させることにより、屈曲形状の前記流路を形成するとともに、各領域によって構成される区間の流路幅を、前記供給ガスの下流側に位置する区間ほど狭い大きさとなるよう構成し、さらに、当該リブ片により形成される前記流路の折り返し部分の幅を、当該折り返し部分より上流側に位置する領域の前記流路幅より狭い大きさとする構成であることを要旨としている。
【００１２】
この構成の燃料電池によれば、流路の折り返し部分の幅が、その折り返し部分より上流側に位置する領域の流路幅よりも狭まくなっていることから、流路の折り返し部分での流速をアップすることができる。したがって、流速アップにより供給ガスの拡散性がより高いものとなることから、濃度分極をより低減することができる。また、流速アップにより生成水の排水性の向上をより高めることができる。
【００１３】
上記第１または第２の燃料電池において、前記流路に、前記流路底面から突出する複数の凸部を有する構成とすることができる。
【００１４】
この構成の燃料電池は、流路底面上に複数の凸部を設けた従来例（分割リブ型のセパレータ）と比較して、凸部間の流路の幅に変わりはないが、リブ部を形成したことにより、供給ガスの供給口と排出口とを結ぶ流路全体の幅は狭くなる。流路幅が狭くなると、供給ガスの流速は高くなることから、前述したように、供給ガスの拡散性を高めて濃度分極を低減することができ、また生成水の排水性を高めることができる。
【００１５】
【発明の他の形態】
本発明は、以下のような他の態様をとることも可能である。第１の態様は、
電解質膜を一対の電極で挟持する接合体と、
該接合体に接触し、該電極の面に沿った方向に供給ガスを流す流路を形成する流路形成部材と
を備える燃料電池において、
前記流路形成部材は、
前記電極の面に対向する流路底面と、
該流路底面から突出して、前記電極の面に達する複数の凸部と、
前記流路底面上の前記複数の凸部が設けられた範囲に、各凸部間の流路の集合により形成される大流路を渦巻き状に形成するリブ部と
を備えることを特徴とする燃料電池。
【００１６】
この第１の態様の燃料電池によれば、凸部により供給ガスの拡散性を高めることができる。また、渦巻き状の大流路により、供給ガスの流速をアップすることができる。これらの結果、燃料電池の電池性能の向上を図ることができる。
【００１７】
第２の態様は、
電解質膜を一対の電極で挟持する接合体と、
該接合体に接触し、該電極に供給ガスを流すガス流路を形成するガス流路形成部材と、
前記ガス流路形成部材に接触し、該ガス流路形成部材の面に沿った方向に冷却水を流す冷却水流路を形成する冷却水流路形成部材と
を備えた燃料電池において、
前記冷却水流路形成部材は、
前記ガス流路形成部材の面に対向する流路底面と、
該流路底面から突出して、前記ガス流路形成部材の面に達する複数の凸部と、前記流路底面上の前記複数の凸部が設けられた範囲に、各凸部間の流路の集合により形成される大流路を渦巻き状に形成するリブ部と
を備えることを要旨としている。
【００１８】
この第２の態様の燃料電池によれば、凸部により冷却水の拡散性を高めることができる。また、渦巻き状の大流路により、冷却水の流速をアップすることができる。これらの結果、燃料電池の冷却性能を高めて、電池性能の向上を図ることができる。
【００１９】
第３の態様は、
電解質膜を一対の電極で挟持する接合体と、
該接合体に接触し、該電極に供給ガスを流すガス流路を形成するガス流路形成部材と、
前記ガス流路形成部材に接触し、該ガス流路形成部材の面に沿った方向に冷却水を流す冷却水流路を形成する冷却水流路形成部材と
を備えた燃料電池において、
前記冷却水流路形成部材は、
前記ガス流路形成部材の面に対向する流路底面と、
該流路底面から突出して、前記ガス流路形成部材の面に達する複数の凸部と
を備えることを特徴としている。
【００２０】
この第３の態様の燃料電池によれば、流路底面上に設けた複数の凸部により冷却水の流路が形成されることから、冷却水の拡散性が向上して、冷却水の流れ分布が均一化される。また、凸部の形状の効果により伝熱面積を高めることができる。したがって、この態様の燃料電池によれば、冷却性能の向上を図ることができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以上説明した本発明の構成・作用を一層明らかにするために、以下本発明の実施の形態を実施例に基づき説明する。本発明の好適な実施例を説明するにあたり、まず、この実施例の説明の参考となる参考例ついて説明する。この参考例（以下、「第１参考例」とも呼ぶ）である固体高分子型燃料電池（以下、単に燃料電池と呼ぶ）１０は、接合体としての単セル２０を基本単位としており、単セル２０を積層したスタック構造を有している。図１は、この単セル２０の断面を模式的に表わす説明図である。燃料電池１０の単セル２０は、電解質膜２１と、アノード２２およびカソード２３と、セパレータ２４、２５とから構成されている。
【００２２】
アノード２２およびカソード２３は、電解質膜２１を両側から挟んでサンドイッチ構造を成すガス拡散電極である。セパレータ２４および２５は、このサンドイッチ構造をさらに両側から挟みつつ、アノード２２およびカソード２３との間に、燃料ガスおよび酸素含有ガスの流路を形成する。アノード２２とセパレータ２４との間には燃料ガス流路２４Ｐが形成されており、カソード２３とセパレータ２５との間には酸素含有ガス流路２５Ｐが形成されている。
【００２３】
セパレータ２４、２５は、図１ではそれぞれ片面にのみ流路を形成しているが、実際にはその両面に後述するリブ（凸部およびリブ片）が形成されており、片面はアノード２２との間で燃料ガス流路２４Ｐを形成し、他面は隣接する単セルが備えるカソード２３との間で酸素含有ガス流路２５Ｐを形成する。このように、セパレータ２４、２５は、ガス拡散電極との間でガス流路を形成するとともに、隣接する単セル間で燃料ガスと酸素含有ガスの流れを分離する役割を果たしている。もとより、単セル２０を積層してスタック構造を形成する際、スタック構造の両端に位置する２枚のセパレータは、ガス拡散電極と接する片面にだけリブが形成されている。
【００２４】
ここで、電解質膜２１は、固体高分子材料、例えばフッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜であり、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。本参考例では、ナフィオン膜（デュポン社製）を使用した。電解質膜２１の表面には、触媒としての白金または白金と他の金属からなる合金が、塗布されている。触媒を塗布する方法としては、白金または白金と他の金属からなる合金を担持したカーボン粉を作製し、この触媒を担持したカーボン粉を適当な有機溶剤に分散させ、電解質溶液を適量添加してペースト化し、電解質膜２１上にスクリーン印刷するという方法をとる。
【００２５】
白金触媒を担持したカーボン粉は次のような方法で作製されている。まず、塩化白金酸水溶液とチオ硫酸ナトリウムとを混合して、亜硫酸白金錯体の水溶液を得、この水溶液を撹拌しながら、過酸化水素水を滴下して、水溶液中にコロイド状の白金粒子を析出させる。次にこの水溶液に担体となるカーボンブラック［例えばＶｕｌｃａｎＸＣ−７２（米国のＣＡＢＯＴ社の商標）やデンカブラック（電気化学工業株式会社の商標）］を添加しながら、撹拌し、カーボンブラックの表面にコロイド状の白金粒子を付着させる。そして吸引ろ過または加圧ろ過により白金粒子が付着したカーボンブラックを水溶液中から分離し、脱イオン水で繰り返し洗浄した後、室温で完全に乾燥させる。次に、この乾燥の工程で凝集したカーボンブラックを粉砕機で粉砕し、水素還元雰囲気中で、２５０℃〜３５０℃で２時間程度加熱して、カーボンブラック上の白金を還元すると共に、残留していた塩素を完全に除去して、白金触媒を担持したカーボン粉を完成する。
【００２６】
カーボンブラックへの白金の担持密度（カーボンの重量に対するカーボン上の白金の重量の比率）は、塩化白金酸の量とカーボンブラックの量との比率を変えることにより調節することができ、任意の担持密度の白金触媒を得ることができる。なお、白金触媒の製造方法は、前述の方法に限らず、充分な触媒活性が得られる方法であれば、他の方法により製造したものであってもよい。
【００２７】
以上の説明では、白金を触媒として用いる場合について述べたが、この他にも、第１成分である白金と、第２成分であるルテニウム、ニッケル、コバルト、インジウム、鉄、クロム、マンガン等のうちの１種類あるいは２種類以上の成分との合金からなる合金触媒を使用することもできる。
【００２８】
アノード２２およびカソード２３は、共に炭素繊維からなる糸で織成したカーボンクロスにより形成されている。なお、本参考例では、アノード２２およびカソード２３をカーボンクロスにより形成したが、炭素繊維からなるカーボンペーパまたはカーボンフエルトにより形成する構成も好適である。
【００２９】
上記電解質膜２１とアノード２２およびカソード２３とは、熱圧着により一体化される。すなわち、白金などの触媒を塗布した電解質膜２１をアノード２２およびカソード２３で挟持し、１２０〜１３０℃に加熱しながらこれらを圧着する。電解質膜２１とアノード２２およびカソード２３とを一体化する方法としては、熱圧着による他に、接着による方法を用いてもよい。アノード２２およびカソード２３で電解質膜２１を挟持する際、各電極と電解質膜２１との間をプロトン導電性固体高分子溶液（例えば、ＡｌｄｒｉｃｈＣｈｅｍｉｃａｌ社、ＮａｆｉｏｎＳｏｌｕｔｉｏｎ）を用いて接合すれば、プロトン導電性固体高分子溶液が固化する過程で接着剤として働き、各電極と電解質膜２１とが固着される。
【００３０】
セパレータ２４、２５は、ガス不透過の導電性部材、例えば、カーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボンにより形成されている。セパレータ２４、２５はその両面に、既述したように、アノード２２の表面とで燃料ガス流路２４Ｐを形成し、隣接する単セルのカソード２３の表面とで酸素含有ガス流路２５Ｐを形成する。こうしたセパレータ２４，２５の詳しい構成については後ほど説明する。
【００３１】
以上、燃料電池１０の基本構造である単セル２０の構成について説明した。実際に燃料電池１０として組み立てるときには、図２に示すように、セパレータ２４、アノード２２、電解質膜２１、カソード２３、セパレータ２５をこの順序で複数組積層し（本参考例では３組）、その複数組積層する毎に１個の冷却プレート３０を挿入する。こうした３個の単セル２０と１個の冷却プレート３０の組合せを複数組積層することにより、単セル２０を例えば、１００組積層し、その両端に緻密質カーボンや銅板などにより形成される集電板（図示せず）を配置することによって、スタック構造を構成する。
【００３２】
なお、冷却プレート３０は、直線状の流路溝を複数備えたストレート型のもので、セパレータ２４，２５と同じ素材により形成されている。冷却プレート３０は、外部からの冷却水を給排することにより、燃料電池１０の温度調整を図る。
【００３３】
こうした構成の燃料電池１０のセパレータ２４，２５の形状は次のようなものである。セパレータ２４，２５は同一の形状であることから、ここでは、セパレータ２４を例にあげて説明する。図３は、セパレータ２４の平面図である。図４は、セパレータ２４の半分の斜視図である。図３および図４に示すように、セパレータ２４は、４角形の板状部材として形成されており、対向する２つの辺の縁付近には、大口径の４角形の孔４１（４３）がそれぞれ設けられ、他の２つの辺の縁付近には、小口径の４角形の２つの孔４５，４６（４７，４８）がそれぞれ設けられている。
【００３４】
大口径の孔４１，４３は、積層した際、燃料電池１０を積層方向に貫通する２つの冷却水給排流路を形成する。対角線に対向する２つの小口径の孔４５，４８は、積層した際、固体高分子型燃料電池１０を積層方向に貫通する２つの燃料ガス給排流路を形成し、他の小口径の孔４６，４７は、同じく積層方向に貫通する２つの酸素含有ガス給排流路を形成する。
【００３５】
セパレータ２４のこれら孔４１，４３，４５，４６，４７，４８が設けられた外縁の平面部より内側には、該平面部より一段下がった段差面５１が形成されており、この段差面５１には、規則正しく格子状に配列された幅２［ｍｍ］、長さ２［ｍｍ］、高さ１［ｍｍ］の直方体の凸部５３が複数形成されている。
【００３６】
また、段差面５１には、段差面５１の幅を３等分するように配列された２本の直線状のリブ片５５，５６が形成されている。リブ片５５，５６は、凸部５３と同じ高さ１［ｍｍ］で、幅１［ｍｍ］であり、長さは段差面５１の横幅より短い。リブ片５５，５６は、互いに逆方向の端部５５ａ，５６ａをセパレータ２４の外縁の平面部に接続することで、他方側の端部５５ｂ，５６ｂがその外縁の平面部から所定の距離Ｓだけ離間するようになっている。なお、この距離Ｓは、この参考例では、リブ片５５，５６により形成される流路の幅Ｗと等しい大きさである。
【００３７】
リブ片５５，５６により、段差面５１は３つの領域に分けられ、これら領域は連通しており、その結果、段差面５１上に、蛇行状（屈曲形状）の１つの大きな流路が形成されることになる。なお、この流路の両端は、対角線に配置された孔４５，孔４８のある位置に接しており、流路の端部と孔４５，４８との間には隔壁はないことから、上記蛇行状の流路は、孔４５，４８に連結される。この結果、孔４５，４８からなる燃料ガス給排流路からの燃料ガスが段差面５１上の上記流路に供給または排出されることになる。
【００３８】
こうしたセパレータ２４の構成により、大きくは、リブ片５５，５６、段差面５１およびアノード２２の表面とで、蛇行状の燃料ガスの流路（大流路）を形成し、さらに、細かくは、凸部５３、段差面５１およびアノード２２の表面とで、複数方向に分散する燃料ガスの流路（小流路）を形成する。これら燃料ガスの流路が、図１で示した燃料ガス流路２４Ｐに相当することになる。
【００３９】
また、セパレータ２４の積層面の他方（図２の裏面）にも、上記段差面５１、凸部５３およびリブ片５５，５６と同一形状の段差面、凸部およびリブ片（図示せず）が形成されている。この段差面、凸部およびリブ片とカソード２３の表面とで酸素含有ガスの流路を形成する。この酸素含有ガスの流路には、上記孔４６，４７により形成される酸素含有ガス給排流路からの酸素含有ガスが供給または排出される。なお、こうした酸素含有ガスの流路が図１で示した酸素含有ガス流路２５Ｐに相当することになる。
【００４０】
こうした構成の燃料電池１０は、前述したようにして、水素を含む燃料ガスを燃料ガス流路２４Ｐに、酸素を含む酸素含有ガスを酸素含有ガス流路２５Ｐにそれぞれ流すことにより、アノード２２とカソード２３とで、次式（１）および（２）に示した電気化学反応を行ない、化学エネルギを直接電気エネルギに変換する。
【００４１】
カソード反応（酸素極）：２Ｈ+＋２ｅ-＋（１／２）Ｏ2→Ｈ2Ｏ …（１）
アノード反応（燃料極）：Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ- …（２）
【００４２】
以上詳述したように、この参考例の燃料電池１０では、各セルへの燃料ガスの給排口である孔４５と孔４８の間に、蛇行状の燃料ガスの流路が形成されており、この流路には、複数の凸部５３が設けられている。このため、従来の分割リブ型のセパレータと比較して、リブ片５５，５６を設けたことにより、燃料ガスの給排口である孔４５と孔４８とを結ぶ流路全体の幅が狭くなる。流路の幅が狭くなると、燃料ガスの流速は高くなることから、燃料ガスの拡散性を高めて濃度分極を低減することができる。また、酸素含有ガスについても、同様の構成により、ガスの拡散性を高めて濃度分極を低減することができる。
【００４３】
また、この燃料電池１０では、前述したようにガス流路を蛇行形状としたことで、流路の全長が長くなっていることから、燃料ガスや酸素含有ガスといった供給ガスにドライガスが用いられた場合であっても、電解質膜のドライアップを防止することができる。カソード２３では、その電極反応により水が生成されるが、従来のリブ型のセパレータでは、その生成水の排水性が過多となって、電解質膜がドライアップとなりがちであったが、この燃料電池１０では、前述したように流路の全長が長くなると、下流に進むほど、供給ガスが次第に加湿されていくことから、電解質膜２１のドライアップを防止することができる。したがって、上記濃度分極を低減する作用と電解質膜２１のドライアップ防止の作用とから、燃料電池１０の電池性能の向上を図ることができる。
【００４４】
第１参考例の燃料電池１０と従来の燃料電池との電池性能を比較したので、次に説明する。ここでは、従来の燃料電池として、分割リブ型のセパレータを使用したものと、蛇行状の流路溝を備えた、いわゆるサーペンタイン型のセパレータを使用したものとを２種類用意した。また、運転条件として、ウェットな供給ガス（燃料ガスの湿度が１００［％］、酸素含有ガスの湿度が９０［％］）を用いた第１の条件と、ドライな供給ガス（燃料ガスの湿度が１００［％］、酸素含有ガスの湿度が３０［％］）を用いた第２の条件との２つを採用した。
【００４５】
図５は、ウェットな供給ガスを用いた第１の条件下で燃料電池１０と従来の燃料電池とを運転したときの電圧と電流密度との関係を示したグラフである。図６は、ドライな供給ガスを用いた第２の条件下で燃料電池１０と従来の燃料電池を運転したときの電圧と電流密度との関係を示したグラフである。図５および図６中、曲線Ａは燃料電池１０について電圧と電流密度との関係を示し、曲線Ｂは分割リブ型の従来例についての電圧と電流密度との関係を示し、曲線Ｃはサーペンタイン型の従来例についての電圧と電流密度との関係を示す。
【００４６】
図５に示すように、ウェットな供給ガスの条件下においては、第１参考例の燃料電池１０は、サーペンタイン型のセパレータを用いた燃料電池はもとより分割リブ型のセパレータを用いた燃料電池に比較して、測定範囲の総ての電流密度に亘ってその特性が優れていた。特に、高電流密度領域（０．５［Ａ／ｃｍ2 ］以上）での電圧低下が小さく、ガス拡散性の向上が認められた。
【００４７】
また、図６に示すように、ドライな供給ガスの条件下においては、第１参考例の燃料電池１０は、サーペンタイン型のセパレータを用いた燃料電池および分割リブ型のセパレータを用いた燃料電池に比較して、測定範囲の総ての電流密度に亘ってその特性が優れていた。特に、ドライな供給ガスの条件下においては、分割リブ型のセパレータと比して、大きく電圧低下が小さいことから、電解質膜２１のドライアップ防止の向上が認められた。
【００４８】
次に、この第１参考例の変形例について説明する。第１参考例では、リブ片５５，５６により形成される蛇行状の流路の折り返し部分の幅（前述したリブ片５５，５６の端部５５ｂ，５６ｂと外縁の平面部との間の距離Ｓに相当する）は、その流路の幅Ｗと等しい構成であったが、これに替えて、次のような構成とした。
【００４９】
図７は、変形例のセパレータ９０の平面図である。図示するように、セパレータ９０は、第１参考例のセパレータ２４と比較してほぼ同じ形状をしており、相違するのは、リブ片９１，９２の全長が、第１参考例のリブ片５５，５６に比較して１．５［ｍｍ］（凸部の幅の１．５倍）だけ長い点にある。かかる構成により、リブ片９１，９２の端部９１ｂ，９２ｂと外縁の平面部との間の距離Ｓａに相当する流路幅は、リブ片９１，９２により形成される流路の幅Ｗより狭い大きさとなる。
【００５０】
したがって、この変形例によれば、流路の折り返し部分の幅が狭いことによって、流路の折り返し部分での流速をアップすることができる。このため、供給ガスの拡散性はより高いものとなることから、流速アップによる排水性の向上をより高めることができる。
【００５１】
本発明の一実施例について次に説明する。第１参考例および上記変形例では、リブ片９１，９２により形成される３つの流路は等間隔の幅Ｗを備える構成であったが、これに替えて、この実施例では、図８に示すように、リブ片９６，９７により形成される第１ないし第３の流路の幅Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３が順に狭くなる（即ち、Ｗ１≧Ｗ２≧Ｗ３の関係を持つ）構成となっている。なお、この実施例のセパレータ９５は、第１の流路からの折り返し部分の幅Ｓ１は第１の流路の幅Ｗ１より狭い大きさであり、第２の流路からの折り返し部分の幅Ｓ２は第２の流路の幅Ｗ２より狭い大きさである。
【００５２】
したがって、この実施例によれば、流路の幅が下流に進む程狭くなっていることと、流路の折り返し部分の幅がその直前の流路幅より狭くなっていることの双方によって、流速のアップを一層図ることができる。このため、供給ガスの拡散性は一層高いものとなることから、流速アップによる排水性の向上をより一層高めることができる。
【００５３】
さらに、他の参考例について、次に説明する。この参考例（以下、「第２参考例」と呼ぶ）は、第１参考例の燃料電池１０と比較してほぼ同じ構成の固体高分子型燃料電池に関するもので、セパレータ２４，２５と冷却プレート３０の形状だけが第１参考例と比べて相違する。セパレータ（図示せず）は、従来より一般に用いられる分割リブ型のものである。冷却プレートの形状は次のようなものである。
【００５４】
図９は、この第２参考例で用いられる冷却プレート１３０の平面図である。図９に示すように、冷却プレート１３０は、４角形の板状部材として形成されており、第１参考例のセパレータ２４と同様に、対向する２つの辺の縁付近には、大口径の４角形の孔１３１（１３３）がそれぞれ設けられ、他の２つの辺の縁付近には、小口径の４角形の２つの孔１３５，１３６（１３７，１３８）がそれぞれ設けられている。
【００５５】
大口径の孔１３１，１３３は、積層した際、燃料電池を積層方向に貫通する２つの冷却水給排流路を形成する。対角線上に対向する２つの小口径の孔１３５，１３８は、積層した際、燃料電池を積層方向に貫通する２つの燃料ガス給排流路を形成し、他の小口径の孔１３６，１３７は、同じく積層方向に貫通する２つの酸素含有ガス給排流路を形成する。
【００５６】
冷却プレート１３０のこれら孔１３１，１３３，１３５，１３６，１３７，１３８が設けられた外縁の平面部より内側には、該平面部より一段下がった段差面１５１が形成されており、この段差面１５１には、規則正しく格子状に配列された幅２［ｍｍ］、長さ２［ｍｍ］、高さ１［ｍｍ］の直方体の凸部１５３が複数形成されている。なお、段差面１５１と大口径の孔１３１，１３３からなる冷却水給排流路との間には隔壁はなく、孔１３１，１３３からの冷却水が、段差面１５１上の凸部１５３により形成される流路に供給または排出されることになる。
【００５７】
以上のように構成された、この第２参考例の燃料電池では、冷却プレート１３０に形成された複数の凸部１５３により、複数方向に分散する冷却水の流路が形成される。これによれば、冷却水の拡散性が向上して、冷却水の流れ分布が均一化される。また、凸部１５３の形状の効果により電熱面積を高めることができる。
【００５８】
したがって、この第２参考例の燃料電池によれば、冷却（温調）性能の向上を図ることができることから、ガス拡散電極のフラッディングや電解質膜のドライアップを抑制することができ、延いては、電池性能の向上を図ることができる。
【００５９】
この第２参考例の燃料電池における電圧と電流密度との関係を、図１０に示した。図中、曲線Ａは第２参考例の燃料電池について電圧と電流密度との関係を示し、曲線Ｂは従来の燃料電池について電圧と電流密度との関係を示す。ここで、従来の燃料電池とは、直線状の流路溝を複数備えた従来のストレート型の冷却プレートを使用した燃料電池である。
【００６０】
図１０に示すように、第２参考例の燃料電池は、従来例の燃料電池に比して、測定範囲の総ての電流密度に亘って、電圧低下が小さく、電池性能の向上が認められた。
【００６１】
第３参考例について、次に説明する。この第３参考例は、第２参考例と同様、冷却プレートの形状に特徴を備えるもので、それ以外については、従来の固体高分子型燃料電池と同一の構成を備える。この第３参考例の燃料電池で用いられる冷却プレートは、第１参考例で説明したセパレータ２４の形状をほぼそのまま適用したものである。以下、冷却プレートについて詳細に説明する。
【００６２】
図１１は、この第３参考例で用いられる冷却プレート２３０の平面図である。図１１に示すように、冷却プレート２３０は、４角形の板状部材として形成されており、第２参考例の冷却プレート１３０と同様に、対向する２つの辺の縁付近には、大口径の４角形の孔２３１（２３３）がそれぞれ設けられ、他の２つの辺の縁付近には、小口径の４角形の２つの孔２３５，２３６（２３７，２３８）がそれぞれ設けられている。
【００６３】
この参考例の冷却プレート２３０は、第１参考例のセパレータ２４と比して各孔２３１，２３３，２３５〜２３８に流す流体が異なっている。この冷却プレート２３０においては、大口径の孔２３１，２３３は、積層した際、燃料電池を積層方向に貫通する２つの酸素含有ガス給排流路を形成する。対角線上に対向する２つの小口径の孔２３５，２３８は、積層した際、燃料電池を積層方向に貫通する２つの冷却水給排流路を形成し、他の小口径の孔２３６，２３７は、同じく積層方向に貫通する２つの燃料ガス給排流路を形成する。
【００６４】
冷却プレート２３０のこれら孔２３１，２３３，２３５，２３６，２３７，２３８が設けられた外縁の平面部より内側には、該平面部より一段下がった段差面２５１が形成されており、この段差面２５１には、規則正しく格子状に配列された幅２［ｍｍ］、長さ２［ｍｍ］、高さ１［ｍｍ］の直方体の凸部２５３が複数形成されている。
【００６５】
また、段差面２５１には、段差面２５１の幅を３等分するように配列された２本の直線状のリブ片２５５，２５６が形成されている。リブ片２５５，２５６は、凸部２５３と同じ高さ１［ｍｍ］で、幅１［ｍｍ］であり、長さは段差面２５１の横幅より短い。リブ片２５５，２５６は、互いに逆方向の端部２５５ａ，２５６ａを冷却プレート２３０の外縁の平面部に接続することで、他方側の端部２５５ｂ，２５６ｂがその外縁の平面部から所定の距離Ｘだけ離間するようになっている。なお、この距離Ｘは、この参考例では、リブ片２５５，２５６により形成される流路の幅Ｙより狭い大きさである。なお、この距離Ｘと幅Ｙとの大小関係は、幅Ｙの方が必ずしも大きい必要はないが、その大小関係により冷却性能に差異が生じる。この冷却性能の差異については後述する。
【００６６】
上述したリブ片２５５，２５６により、段差面２５１は３つの領域に分けられて、これら領域は連通しており、その結果、段差面２５１上に、蛇行状（屈曲形状）の１つの大きな流路が形成されることになる。なお、この流路の両端は、対角線に配置された孔２３５，孔２３８のある位置に接しており、流路の端部と孔２３５，２３８との間には隔壁はないことから、上記蛇行状の流路は、孔２３５，２３８に連結される。この結果、孔２３５，２３８からなる冷却水給排流路からの冷却水が段差面２５１上の上記流路に供給または排出されることになる。
【００６７】
こうした冷却水プレートの構成により、大きくは、リブ片２５５，２５６、段差面２５１およびガス拡散電極の電解質膜と反対側の表面とで、蛇行状の冷却水の流路（大流路）を形成し、さらに、細かくは、凸部２５３、段差面２５１およびガス拡散電極の電解質膜と反対側の表面とで、複数方向に分散する冷却水の流路（小流路）を形成する。
【００６８】
以上のように構成された第３参考例の燃料電池では、冷却プレート２３０に形成された複数の凸部２５３により、冷却水は複数方向に分散して、冷却水の拡散性が向上する。しかも、リブ片２５５，２５６により、冷却水の吸入口と排出口とを結ぶ流路全体の幅が狭められて、冷却水の流速がアップされる。
【００６９】
したがって、この第３参考例の燃料電池によれば、冷却水の拡散性と流速アップとにより、冷却（温調）性能の向上をより図ることができる。このため、電池性能をより優れたものとすることができる。
【００７０】
さらに、この第３参考例の燃料電池によれば、冷却水流路の蛇行状の折り返し部分の幅に相当する上記距離Ｘは、その流路の幅Ｙより狭い大きさとなっていることから、この折り返し部分により冷却水の流速をよりアップすることができる。したがって、冷却（温調）性能の向上をより一層図ることができ、電池性能をより一層優れたものとすることができる。
【００７１】
この第３参考例の燃料電池において、上述した冷却水流路の折り返し部分の幅（上記距離Ｘに対応し、以下この折り返し部分の幅についてもＸで示す）を変更して得られる燃料電池の電池性能を比較したので、次に説明する。ここでは、比較対象として、冷却水流路の折り返し部分の幅Ｘがその流路の幅Ｙより狭い大きさである第１の構成（この第３参考例の場合）と、その折り返し部分の幅Ｘがその流路の幅Ｙと等しい大きさである第２の構成と、その折り返し部分の幅Ｘがその流路の幅Ｙより広い大きさである第３の構成との３種類を用意した。
【００７２】
図１２は、上記各構成の燃料電池についての電圧と電流密度との関係を示したグラフである。図中、曲線Ｆは第１の構成の燃料電池についてのもので、曲線Ｇは第２の構成の燃料電池についてのもので、曲線Ｈは第３の構成の燃料電池についてのものである。
【００７３】
図１１に示すように、冷却水流路の折り返し部分の幅Ｘがその流路の幅Ｙより狭い大きさの第１の構成の燃料電池は、他の２つの構成に比較して、測定範囲の総ての電流密度に亘ってその特性が優れていた。特に、高電流密度領域（０．５［Ａ／ｃｍ2 ］以上）での電圧低下が小さいことがわかる。次に電池特性の優れているのが幅Ｘと幅Ｙとが等しい構成の燃料電池である。
【００７４】
したがって、図１２に示した結果からも、この第３参考例のように、冷却水流路の折り返し部分の幅Ｘがその流路の幅Ｙより狭い大きさとすることで、燃料電池の電池性能が向上することが認められた。
【００７５】
前記第１および第３参考例の変形例について、次に説明する。前記第１および第３参考例の燃料電池に備えられるセパレータ２４，２５または冷却プレート２３０は、リブ片５５，５６（２５５，２５６）を用いて１本の連続する流路を形成していたが、これに替えて、次のような形状のセパレータもしくは冷却プレートの構成としてもよい。即ち、図１３に示すように、この変形例のセパレータもしくは冷却プレートでは、両端が外縁の平面部から離れて形成されるリブ片３５５，３５６を流路底面上に有しており、リブ片３５５，３５６と両外縁の平面部との間隙を介して流路が分岐するようにする。この構成によっても、供給ガスまたは冷却水の供給口３５８と排出口３５９との間に、複数の凸部３５３を有する屈曲形状の大流路を形成することができることから、第１参考例および第３参考例と同様に燃料電池性能の向上を図ることができる。
【００７６】
また、他の変形例のセパレータもしくは冷却プレートとして、図１４に示すように、流路底面上に複数の凸部４５３を有し、さらに、その流路底面上に、渦巻き状の大流路を形成する渦巻き状のリブ部４５５を有する構成としてもよい。この構成によっても、供給ガスまたは冷却水の供給口４５８と排出口４５９との間に、複数の凸部４５３を有する渦巻き形状の大流路を形成することができることから、第１参考例および第３参考例と同様に燃料電池性能の向上を図ることができる。
【００７７】
以上本発明の実施例について説明したが、本発明はこうした実施例に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる態様で実施し得ることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１参考例である燃料電池１０を構成する単セル２０の構造を模式的に表わす断面図である。
【図２】燃料電池１０の全体構造を模式的に表わす断面図である。
【図３】セパレータ２４の平面図である。
【図４】セパレータ２４の半分の斜視図である。
【図５】ウェットな供給ガスを用いた第１の条件下で燃料電池１０と従来の燃料電池とを運転したときの電圧と電流密度との関係を示すグラフである。
【図６】ドライな供給ガスを用いた第２の条件下で燃料電池１０と従来の燃料電池を運転したときの電圧と電流密度との関係を示すグラフである。
【図７】第１参考例の変形例としてのセパレータ９０の平面図である。
【図８】本発明の一実施例としてのセパレータ９５の平面図である。
【図９】第２参考例で用いられる冷却プレート１３０の平面図である。
【図１０】第２参考例の燃料電池と従来の燃料電池についての電圧と電流密度との関係を示すグラフである。
【図１１】第３参考例で用いられる冷却プレート２３０の平面図である。
【図１２】冷却水流路の折り返し部分の幅を変更して得られる各燃料電池についての電圧と電流密度との関係を示すグラフである。
【図１３】参考例の変形例としてのセパレータまたは冷却プレートを表わす平面図である。
【図１４】参考例の他の変形例としてのセパレータまたは冷却プレートを表わす平面図である。
【符号の説明】
１０…固体高分子型燃料電池
２０…単セル
２０…燃料電池
２１…電解質膜
２２…アノード
２３…カソード
２４，２５…セパレータ
２４Ｐ…燃料ガス流路
２５Ｐ…酸素含有ガス流路
３０…冷却プレート
４１，４３，４５，４６，４７，４８…孔
５１…段差面
５３…凸部
５５，５６…リブ片
９０…セパレータ
９１，９２…リブ片
９１ｂ，９２ｂ…端部
９５…セパレータ
９６，９７…リブ片
１３０…冷却プレート
１３１，１３３，１３５，１３６，１３７，１３８…孔
１５１…段差面
１５３…凸部
２３０…冷却プレート
２３１，２３３，２３５，２３６，２３７，２３８…孔
２５１…段差面
２５３…凸部
２５５，２５６…リブ片
３５３…凸部
３５５，３５６…リブ片
３５８…供給口
３５９…排出口
４５３…凸部
４５５…リブ部
４５８…供給口
４５９…排出口[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel cell, and more specifically, a fuel cell characterized by a supply gas flow path for supplying a supply gas to a joined body sandwiching a solid polymer electrolyte membrane between a pair of electrodes, or a cooling for supplying cooling water The present invention relates to a fuel cell characterized by a water flow path.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art Conventionally, a fuel cell is known as a device that directly converts energy possessed by fuel into electrical energy. A fuel cell usually has a pair of electrodes arranged with an electrolyte membrane in between, a fuel gas such as hydrogen in contact with the surface of one electrode, and an oxygen-containing gas containing oxygen on the surface of the other electrode In this case, electric energy is taken out between the electrodes by using the electrochemical reaction that occurs at this time. The fuel cell can extract electric energy with high efficiency as long as the fuel gas and the oxygen-containing gas are supplied.
[0003]
By the way, in such a fuel cell, the supply of fuel gas and oxygen-containing gas to the electrode surface is performed by a member called a separator that serves as a flow path for these gases and a collector electrode. As this separator, a straight type having a plurality of linear flow channel grooves is generally used. There is also known a split rib type in which a plurality of convex portions are provided and a flow path is formed by a gap between the convex portions. Divided rib separators disperse in multiple directions even if one channel is blocked by so-called flooding, which condenses moisture, so that gas and generated water can flow into other channels. Therefore, it is excellent in gas diffusibility and drainage of generated water.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the fuel cell using the split rib type separator, the flow path is dispersed in a plurality of directions, so that the gas flow rate may be insufficient. When the flow rate is insufficient, the gas diffusibility is hindered to cause concentration polarization, resulting in a problem that the cell performance of the fuel cell is lowered. Further, when the gas flow rate is insufficient, there is a problem that the drainage of the generated water is deteriorated.
[0005]
The present invention has been made in view of these problems, and an object of the present invention is to eliminate the inhibition of gas diffusibility and the deterioration of drainage, and to realize better battery performance.
[0006]
[Means for solving the problems and their functions and effects]
  The first fuel cell of the present invention comprises:
  A joined body sandwiching the solid polymer electrolyte membrane between a pair of electrodes;
  A flow path forming member that contacts the joined body and forms a flow path for flowing a supply gas in a direction along the surface of the electrode;
  In a fuel cell comprising:
  The flow path forming member is:
  A channel bottom surface facing the surface of the electrode;
  One or more linear rib pieces projecting from the bottom surface of the flow path;
  With
  The rib pieces are
  By dividing the area on the bottom surface of the flow path into a plurality of areas and communicating with each other, the bent flow path is formed, and the flow path width of the section constituted by each area is constant in each section. , The section located downstream of the supply gas is configured to be narrower,
  further,
  The flow path forming member is:
  A supply / discharge flow path for the supply gas that penetrates the flow path forming member in the thickness direction;
  The supply / discharge channel is
  SaidFormed in a bent shapeSupply gas flow pathFlow direction at both ends at both endsArranged to touch the endAndBy connecting to the flow path of the supply gas, in the direction of the flow path of the supply gasAlongThe gist is that the supply gas is supplied or discharged.
[0007]
Here, the supply gas may be a fuel gas sent to the anode of the fuel cell or an oxygen-containing gas sent to the cathode.
[0008]
  In the fuel cell having the above configuration, the flow path forming member forms a flow path including a plurality of sections whose flow path width gradually decreases in the downstream direction of the supply gas.RukoTherefore, the flow rate of the supply gas can be increased. For this reason, concentration polarization can be reduced by increasing the diffusibility of the supply gas. Therefore, according to this fuel cell, the cell performance of the fuel cell can be improved. In addition, an increase in the drainage of the generated water is also achieved by increasing the flow rate of the supply gas.
[0010]
  Also,straightLinear ribsFragmentSince the flow path has a bent shape, the total length of the flow path is long, so that when a dry gas with low humidity is used as the supply gas, the solid polymer electrolyte membrane can be prevented from drying up. it can. This is because, as the total length of the flow path becomes longer, the supply gas is gradually humidified as it goes downstream, and it is possible to prevent the solid polymer electrolyte membrane from drying up. This also makes it possible to further improve the battery performance of the fuel cell.
[0011]
  The second fuel cell of the present invention comprises:
A joined body sandwiching the solid polymer electrolyte membrane between a pair of electrodes;
A flow path forming member that contacts the joined body and forms a flow path for flowing a supply gas in a direction along the surface of the electrode;
In a fuel cell comprising:
The flow path forming member is:
A channel bottom surface facing the surface of the electrode;
One or more linear rib pieces projecting from the bottom surface of the flow path;
With
The rib pieces are
By dividing the region on the bottom surface of the flow channel into a plurality of regions and communicating with each other, the bent flow channel is formed, and the flow channel width of the section constituted by each region is set downstream of the supply gas. The section that is positioned is configured to be narrower, and the rib pieceThe width of the folded portion of the flow path formed by is smaller than the width of the flow path in the region located upstream from the folded portion.The gist is that the configuration is as follows.
[0012]
According to the fuel cell having this configuration, the width of the folded portion of the flow path is narrower than the width of the flow path in the region located upstream from the folded portion. Can be up. Therefore, since the diffusibility of the supply gas becomes higher by increasing the flow rate, concentration polarization can be further reduced. Moreover, the improvement of the drainage property of generated water can be further increased by increasing the flow velocity.
[0013]
  the above1st or 2ndIn the fuel cell ofIn the channelThe plurality of convex portions projecting from the bottom surface of the flow path can be provided.
[0014]
  Compared with the conventional example (divided rib type separator) in which a plurality of convex portions are provided on the bottom surface of the flow path, the fuel cell of this configuration has no change in the width of the flow path between the convex portions. By forming, the width of the whole flow path connecting the supply port and the discharge port of the supply gas becomes narrow. As the flow path width becomes narrower, the flow rate of the supply gas becomes higher. As described above, the diffusibility of the supply gas can be increased to reduce the concentration polarization, and the drainage of the generated water can be improved..
[0015]
Other forms of the invention
The present invention can take other forms as follows. The first aspect is
A joined body sandwiching the electrolyte membrane between a pair of electrodes;
A flow path forming member that contacts the joined body and forms a flow path for flowing a supply gas in a direction along the surface of the electrode;
In a fuel cell comprising:
The flow path forming member is:
A channel bottom surface facing the surface of the electrode;
A plurality of protrusions protruding from the bottom surface of the flow path and reaching the surface of the electrode;
A rib portion that spirally forms a large flow path formed by a set of flow paths between the convex portions in a range where the plurality of convex portions are provided on the flow path bottom surface;
A fuel cell comprising:
[0016]
According to the fuel cell of the first aspect, the diffusibility of the supply gas can be enhanced by the convex portion. Further, the flow velocity of the supply gas can be increased by the spiral large flow path. As a result, the battery performance of the fuel cell can be improved.
[0017]
The second aspect is
A joined body sandwiching the electrolyte membrane between a pair of electrodes;
A gas flow path forming member that is in contact with the joined body and forms a gas flow path for flowing a supply gas to the electrode;
A cooling water flow path forming member that contacts the gas flow path forming member and forms a cooling water flow path for flowing cooling water in a direction along a surface of the gas flow path forming member;
In a fuel cell comprising
The cooling water flow path forming member is
A channel bottom surface facing the surface of the gas channel forming member;
A plurality of protrusions that protrude from the bottom surface of the flow path and reach the surface of the gas flow path forming member, and a range of the plurality of protrusions on the bottom surface of the flow path are provided between the protrusions. A rib portion that spirally forms a large flow path formed by the assembly;
The gist is to provide.
[0018]
According to the fuel cell of the second aspect, the diffusibility of the cooling water can be enhanced by the convex portion. Further, the flow rate of the cooling water can be increased by the spiral large flow path. As a result, it is possible to improve the cooling performance of the fuel cell and improve the battery performance.
[0019]
The third aspect is
A joined body sandwiching the electrolyte membrane between a pair of electrodes;
A gas flow path forming member that is in contact with the joined body and forms a gas flow path for flowing a supply gas to the electrode;
A cooling water flow path forming member that contacts the gas flow path forming member and forms a cooling water flow path for flowing cooling water in a direction along a surface of the gas flow path forming member;
In a fuel cell comprising
The cooling water flow path forming member is
A channel bottom surface facing the surface of the gas channel forming member;
A plurality of protrusions protruding from the bottom surface of the flow path and reaching the surface of the gas flow path forming member;
It is characterized by having.
[0020]
According to the fuel cell of the third aspect, since the cooling water flow path is formed by the plurality of convex portions provided on the flow path bottom surface, the diffusibility of the cooling water is improved and the flow of the cooling water is improved. Distribution is made uniform. Further, the heat transfer area can be increased by the effect of the shape of the convex portion. Therefore, according to the fuel cell of this aspect, the cooling performance can be improved.
[0021]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
  In order to further clarify the configuration and operation of the present invention described above, embodiments of the present invention will be described based on examples. Preferred of the present inventionIn describing the embodiment, first, a reference example serving as a reference for describing the embodiment will be described. This reference example (hereinafter also referred to as “first reference example”)The solid polymer fuel cell (hereinafter simply referred to as a fuel cell) 10 has a single cell 20 as a basic unit as a basic unit, and has a stack structure in which the single cells 20 are stacked. FIG. 1 is an explanatory diagram schematically showing a cross section of the single cell 20. A single cell 20 of the fuel cell 10 includes an electrolyte membrane 21, an anode 22 and a cathode 23, and separators 24 and 25.
[0022]
The anode 22 and the cathode 23 are gas diffusion electrodes having a sandwich structure with the electrolyte membrane 21 sandwiched from both sides. The separators 24 and 25 form fuel gas and oxygen-containing gas flow paths between the anode 22 and the cathode 23 while further sandwiching the sandwich structure from both sides. A fuel gas passage 24P is formed between the anode 22 and the separator 24, and an oxygen-containing gas passage 25P is formed between the cathode 23 and the separator 25.
[0023]
In FIG. 1, the separators 24 and 25 each have a flow path formed only on one side, but in reality ribs (projections and rib pieces) to be described later are formed on both sides, and one side is connected to the anode 22. A fuel gas flow path 24P is formed between them, and an oxygen-containing gas flow path 25P is formed between the other surface and the cathode 23 provided in the adjacent single cell. As described above, the separators 24 and 25 form a gas flow path between the gas diffusion electrodes and play a role of separating the flow of the fuel gas and the oxygen-containing gas between adjacent single cells. Of course, when the stack structure is formed by stacking the single cells 20, the two separators positioned at both ends of the stack structure are formed with ribs only on one side in contact with the gas diffusion electrode.
[0024]
  Here, the electrolyte membrane 21 is a proton conductive ion exchange membrane formed of a solid polymer material such as a fluorine resin, and exhibits good electrical conductivity in a wet state. BookreferenceIn the example, a Nafion membrane (manufactured by DuPont) was used. The surface of the electrolyte membrane 21 is coated with platinum as a catalyst or an alloy made of platinum and other metals. As a method for applying the catalyst, a carbon powder carrying platinum or an alloy made of platinum and other metals is prepared, the carbon powder carrying the catalyst is dispersed in a suitable organic solvent, and an appropriate amount of electrolyte solution is added. A method of pasting and screen printing on the electrolyte membrane 21 is employed.
[0025]
Carbon powder carrying a platinum catalyst is produced by the following method. First, an aqueous solution of chloroplatinic acid and sodium thiosulfate are mixed to obtain an aqueous solution of a platinum sulfite complex. While stirring this aqueous solution, hydrogen peroxide is added dropwise to precipitate colloidal platinum particles in the aqueous solution. Let Next, carbon black [for example, Vulcan XC-72 (trademark of CABOT, USA) or Denka Black (trademark of Denki Kagaku Kogyo Co., Ltd.)] as a carrier is added to this aqueous solution while stirring, Colloidal platinum particles are deposited. Then, carbon black to which platinum particles are adhered is separated from the aqueous solution by suction filtration or pressure filtration, repeatedly washed with deionized water, and then completely dried at room temperature. Next, the carbon black agglomerated in this drying step is pulverized with a pulverizer and heated in a hydrogen reduction atmosphere at 250 ° C. to 350 ° C. for about 2 hours to reduce platinum on the carbon black and remain. The chlorine that had been removed is completely removed to complete the carbon powder carrying the platinum catalyst.
[0026]
The loading density of platinum on carbon black (ratio of the weight of platinum on carbon to the weight of carbon) can be adjusted by changing the ratio between the amount of chloroplatinic acid and the amount of carbon black, and any loading A density platinum catalyst can be obtained. In addition, the manufacturing method of a platinum catalyst is not restricted to the above-mentioned method, As long as sufficient catalyst activity is obtained, what was manufactured by the other method may be used.
[0027]
In the above description, the case where platinum is used as a catalyst has been described, but besides this, platinum as the first component and ruthenium, nickel, cobalt, indium, iron, chromium, manganese, etc. as the second component It is also possible to use an alloy catalyst made of an alloy of one kind or two or more kinds of components.
[0028]
  Both the anode 22 and the cathode 23 are formed of carbon cloth woven with yarns made of carbon fibers. BookreferenceIn the example, the anode 22 and the cathode 23 are formed of carbon cloth. However, a structure formed of carbon paper or carbon felt made of carbon fiber is also suitable.
[0029]
The electrolyte membrane 21, the anode 22 and the cathode 23 are integrated by thermocompression bonding. That is, the electrolyte membrane 21 coated with a catalyst such as platinum is sandwiched between the anode 22 and the cathode 23, and these are pressure-bonded while being heated to 120 to 130 ° C. As a method for integrating the electrolyte membrane 21 with the anode 22 and the cathode 23, a method using adhesion may be used in addition to thermocompression bonding. When the electrolyte membrane 21 is sandwiched between the anode 22 and the cathode 23, if each electrode and the electrolyte membrane 21 are joined using a proton conductive solid polymer solution (for example, Aldrich Chemical, Nafion Solution), proton conduction Each electrode and the electrolyte membrane 21 are fixed by acting as an adhesive in the process of solidifying the conductive solid polymer solution.
[0030]
The separators 24 and 25 are formed of a gas-impermeable conductive member, for example, dense carbon that has been made to be gas-impermeable by compressing carbon. As described above, the separators 24 and 25 form the fuel gas flow path 24P with the surface of the anode 22 and the oxygen-containing gas flow path 25P with the surface of the cathode 23 of the adjacent single cell, as described above. . The detailed configuration of the separators 24 and 25 will be described later.
[0031]
  The configuration of the single cell 20 that is the basic structure of the fuel cell 10 has been described above. When the fuel cell 10 is actually assembled, a plurality of sets of separators 24, anodes 22, electrolyte membranes 21, cathodes 23, and separators 25 are laminated in this order as shown in FIG.referenceIn the example, 3 sets), one cooling plate 30 is inserted every time the plural sets are stacked. By stacking a plurality of such combinations of three single cells 20 and one cooling plate 30, for example, 100 sets of single cells 20 are stacked, and current collectors are formed by dense carbon or copper plates at both ends thereof. A stack structure is formed by arranging plates (not shown).
[0032]
The cooling plate 30 is a straight type provided with a plurality of linear flow channel grooves, and is formed of the same material as the separators 24 and 25. The cooling plate 30 adjusts the temperature of the fuel cell 10 by supplying and discharging cooling water from the outside.
[0033]
The shape of the separators 24 and 25 of the fuel cell 10 having such a configuration is as follows. Since the separators 24 and 25 have the same shape, here, the separator 24 will be described as an example. FIG. 3 is a plan view of the separator 24. FIG. 4 is a perspective view of half of the separator 24. As shown in FIGS. 3 and 4, the separator 24 is formed as a quadrangular plate-like member, and a large-diameter quadrangular hole 41 (43) is formed in the vicinity of the edges of the two opposing sides. Two small holes 45, 46 (47, 48) are provided near the edges of the other two sides.
[0034]
The large-diameter holes 41 and 43 form two cooling water supply / discharge passages that penetrate the fuel cell 10 in the stacking direction when stacked. The two small-diameter holes 45 and 48 that face the diagonal line form two fuel gas supply / discharge passages that penetrate the polymer electrolyte fuel cell 10 in the stacking direction when stacked, and other small-diameter holes. Similarly, 46 and 47 form two oxygen-containing gas supply / discharge passages penetrating in the stacking direction.
[0035]
On the inner side of the flat portion of the outer edge of the separator 24 where the holes 41, 43, 45, 46, 47, 48 are provided, a step surface 51 is formed which is one step lower than the flat portion. A plurality of rectangular parallelepiped convex portions 53 having a width of 2 [mm], a length of 2 [mm], and a height of 1 [mm] arranged in a regular grid pattern are formed.
[0036]
  Further, two linear rib pieces 55 and 56 are formed on the step surface 51 so as to divide the width of the step surface 51 into three equal parts. The rib pieces 55 and 56 have the same height 1 [mm] as the convex portion 53 and a width 1 [mm], and the length is shorter than the lateral width of the step surface 51. The rib pieces 55, 56 are connected to end portions 55 a, 56 a in opposite directions to the planar portion of the outer edge of the separator 24, so that the other end portions 55 b, 56 b are a predetermined distance S from the planar portion of the outer edge. It is designed to be separated. In addition, this distance S is thisreferenceIn the example, the size is equal to the width W of the flow path formed by the rib pieces 55 and 56.
[0037]
The step surface 51 is divided into three regions by the rib pieces 55 and 56, and these regions communicate with each other. As a result, one large flow path having a meandering shape (bent shape) is formed on the step surface 51. Will be. Note that both ends of the flow path are in contact with the positions of the holes 45 and 48 arranged diagonally, and there is no partition between the end of the flow path and the holes 45 and 48, so that the above meandering The channel is connected to the holes 45 and 48. As a result, the fuel gas from the fuel gas supply / discharge flow path formed by the holes 45 and 48 is supplied to or discharged from the flow path on the step surface 51.
[0038]
By such a configuration of the separator 24, the rib pieces 55 and 56, the step surface 51, and the surface of the anode 22 form a meandering fuel gas flow path (large flow path). A flow path (small flow path) of fuel gas dispersed in a plurality of directions is formed by the portion 53, the step surface 51, and the surface of the anode 22. These fuel gas passages correspond to the fuel gas passage 24P shown in FIG.
[0039]
Further, on the other side of the laminated surface of the separator 24 (the back surface in FIG. 2), there are step surfaces, protrusions and rib pieces (not shown) having the same shape as the step surface 51, the protrusions 53 and the rib pieces 55 and 56. Is formed. A flow path for the oxygen-containing gas is formed by the stepped surface, the convex portion, the rib piece, and the surface of the cathode 23. The oxygen-containing gas is supplied or discharged from the oxygen-containing gas supply / discharge passage formed by the holes 46 and 47 to the oxygen-containing gas passage. Such an oxygen-containing gas flow path corresponds to the oxygen-containing gas flow path 25P shown in FIG.
[0040]
As described above, the fuel cell 10 having such a configuration allows the anode 22 and the cathode to flow by flowing the fuel gas containing hydrogen through the fuel gas passage 24P and the oxygen-containing gas containing oxygen through the oxygen-containing gas passage 25P. 23, the electrochemical reaction shown in the following formulas (1) and (2) is performed, and chemical energy is directly converted into electrical energy.
[0041]
Cathode reaction (oxygen electrode): 2H + + 2e-+ (1/2) O 2 → H 2 O (1)
Anode reaction (fuel electrode): H2 → 2H ++ 2e- (2)
[0042]
  As detailed above, thisreferenceIn the fuel cell 10 of the example, a meandering fuel gas flow path is formed between a hole 45 and a hole 48 which are fuel gas supply / exhaust ports to each cell. A convex portion 53 is provided. For this reason, as compared with the conventional split rib type separator, the rib pieces 55 and 56 are provided, so that the width of the entire flow path connecting the hole 45 and the hole 48 serving as the fuel gas supply / discharge port becomes narrower. . When the width of the flow path is narrowed, the flow rate of the fuel gas increases, so that the diffusibility of the fuel gas can be increased and the concentration polarization can be reduced. Further, with respect to an oxygen-containing gas, the gas diffusibility can be increased and concentration polarization can be reduced by the same configuration.
[0043]
In the fuel cell 10, since the gas flow path has a meandering shape as described above, the total length of the flow path is long, so that dry gas is used as a supply gas such as fuel gas and oxygen-containing gas. Even in this case, it is possible to prevent the electrolyte membrane from drying up. In the cathode 23, water is generated by the electrode reaction. However, in the conventional rib-type separator, the drainage of the generated water is excessive and the electrolyte membrane tends to dry up. 10, as described above, when the total length of the flow path is increased, the supply gas is gradually humidified as the flow proceeds downstream, so that dry-up of the electrolyte membrane 21 can be prevented. Therefore, the cell performance of the fuel cell 10 can be improved from the effect of reducing the concentration polarization and the effect of preventing the electrolyte membrane 21 from drying up.
[0044]
  FirstreferenceSince the cell performance of the fuel cell 10 of the example and the conventional fuel cell were compared, it will be described next. Here, two types of conventional fuel cells were prepared, one using a split rib type separator and the other using a so-called serpentine type separator having a meandering channel groove. In addition, as operating conditions, a first condition using wet supply gas (humidity of fuel gas is 100 [%] and humidity of oxygen-containing gas is 90 [%]) and dry supply gas (humidity of fuel gas) Is 100 [%] and the humidity of the oxygen-containing gas is 30 [%]).
[0045]
FIG. 5 is a graph showing the relationship between voltage and current density when the fuel cell 10 and a conventional fuel cell are operated under the first condition using wet supply gas. FIG. 6 is a graph showing the relationship between voltage and current density when the fuel cell 10 and a conventional fuel cell are operated under the second condition using dry supply gas. 5 and 6, curve A shows the relationship between voltage and current density for the fuel cell 10, curve B shows the relationship between voltage and current density for the conventional divided rib type, and curve C shows the serpentine type. The relationship between the voltage and current density for the conventional example is shown.
[0046]
  As shown in FIG. 5, under the condition of wet supply gas, the firstreferenceThe fuel cell 10 of the example was superior in characteristics over the entire current density in the measurement range as compared with the fuel cell using the serpentine separator and the fuel cell using the split rib separator. . In particular, the voltage drop in the high current density region (0.5 [A / cm 2] or more) was small, and an improvement in gas diffusivity was observed.
[0047]
  Further, as shown in FIG. 6, under the condition of the dry supply gas, the firstreferenceThe fuel cell 10 of the example was superior in characteristics over the entire current density in the measurement range as compared with the fuel cell using the serpentine separator and the fuel cell using the split rib separator. In particular, under the condition of dry supply gas, the voltage drop is large and small as compared with the split rib type separator, and therefore, improvement in prevention of dry-up of the electrolyte membrane 21 was recognized.
[0048]
  Next, this firstreferenceA modification of the example will be described. FirstreferenceIn the example, the width of the folded portion of the meandering flow path formed by the rib pieces 55 and 56 (corresponding to the distance S between the end portions 55b and 56b of the rib pieces 55 and 56 described above and the flat portion of the outer edge). ) Was equal to the width W of the flow path, but instead, the following configuration was adopted.
[0049]
  FIG. 7 is a plan view of a separator 90 according to a modification. As shown, the separator 90 is a firstreferenceCompared with the separator 24 of the example, it has substantially the same shape, and the difference is that the total length of the rib pieces 91 and 92 is the first.referenceCompared to the rib pieces 55 and 56 of the example, the length is 1.5 [mm] (1.5 times the width of the convex portion). With this configuration, the flow path width corresponding to the distance Sa between the end portions 91b and 92b of the rib pieces 91 and 92 and the flat portion of the outer edge is narrower than the width W of the flow path formed by the rib pieces 91 and 92. It becomes size.
[0050]
Therefore, according to this modification, the flow rate at the folded portion of the flow path can be increased due to the narrow width of the folded portion of the flow path. For this reason, since the diffusibility of supply gas becomes a higher thing, the improvement of the drainage property by the flow-rate increase can be improved more.
[0051]
  Implementation of the present inventionAn example is described next. In the first reference example and the above-described modification, the three flow paths formed by the rib pieces 91 and 92 are configured to have the equally-spaced width W.ImplementationIn the example, as shown in FIG. 8, the widths W1, W2, and W3 of the first to third flow paths formed by the rib pieces 96 and 97 become narrower in order (that is, there is a relationship of W1 ≧ W2 ≧ W3). ) Configuration. In addition, thisImplementationIn the separator 95 of the example, the width S1 of the folded portion from the first flow path is smaller than the width W1 of the first flow path, and the width S2 of the folded portion from the second flow path is the second width. The size is narrower than the width W2 of the flow path..
[0052]
  Therefore, thisThe fruitAccording to the embodiment, the flow velocity is increased by both the fact that the width of the flow path becomes narrower as it goes downstream, and that the width of the folded portion of the flow path is narrower than the width of the flow path immediately before it. More can be achieved. For this reason, since the diffusibility of supply gas becomes still higher, the improvement of the drainage property by the flow-rate increase can be improved further.
[0053]
  In addition, other referencesAn example is described next. thisReference example (hereinafter referred to as “second reference example”)Is the firstreferenceThis relates to a polymer electrolyte fuel cell having substantially the same structure as that of the fuel cell 10 of the example, and only the shapes of the separators 24 and 25 and the cooling plate 30 are the first.referenceIt differs from the example. The separator (not shown) is of a split rib type that is generally used conventionally. The shape of the cooling plate is as follows.
[0054]
  FIG. 9 shows the secondreferenceIt is a top view of the cooling plate 130 used in the example. As shown in FIG. 9, the cooling plate 130 is formed as a quadrangular plate-shaped member, and the first platereferenceSimilar to the separator 24 of the example, a large-diameter quadrangular hole 131 (133) is provided near the edges of the two opposite sides, and a small-diameter 4 is provided near the edges of the other two sides. Two square holes 135 and 136 (137 and 138) are provided, respectively.
[0055]
The large-diameter holes 131 and 133 form two cooling water supply / discharge channels that penetrate the fuel cell in the stacking direction when stacked. The two small-diameter holes 135 and 138 that are diagonally opposed form two fuel gas supply / discharge passages that penetrate the fuel cell in the stacking direction when stacked, and the other small-diameter holes 136 and 137 Similarly, two oxygen-containing gas supply / discharge passages penetrating in the stacking direction are formed.
[0056]
On the inner side of the flat portion of the outer edge where the holes 131, 133, 135, 136, 137, and 138 of the cooling plate 130 are provided, a step surface 151 that is one step lower than the flat portion is formed. A plurality of rectangular parallelepiped convex portions 153 having a width of 2 [mm], a length of 2 [mm], and a height of 1 [mm] arranged in a regular grid pattern are formed. Note that there is no partition between the step surface 151 and the cooling water supply / discharge flow path including the large-diameter holes 131 and 133, and the cooling water from the holes 131 and 133 is formed by the convex portions 153 on the step surface 151. Will be supplied to or discharged from the flow path.
[0057]
  This second configuration is as described above.referenceIn the example fuel cell, a plurality of convex portions 153 formed on the cooling plate 130 form cooling water flow paths that are dispersed in a plurality of directions. According to this, the diffusibility of the cooling water is improved and the flow distribution of the cooling water is made uniform..Moreover, an electrothermal area can be raised by the effect of the shape of the convex part 153.
[0058]
  Therefore, this secondreferenceAccording to the fuel cell of the example, since the cooling (temperature control) performance can be improved, the flooding of the gas diffusion electrode and the dry-up of the electrolyte membrane can be suppressed, so that the battery performance can be improved. Can be planned.
[0059]
  This secondreferenceThe relationship between voltage and current density in the example fuel cell is shown in FIG. In the figure, curve A is the secondreferenceThe relationship between voltage and current density is shown for an example fuel cell, and curve B shows the relationship between voltage and current density for a conventional fuel cell. Here, the conventional fuel cell is a fuel cell using a conventional straight type cooling plate provided with a plurality of linear flow channel grooves.
[0060]
  As shown in FIG.ItSecond, secondreferenceCompared to the conventional fuel cell, the example fuel cell has a current density in the entire measurement range.Every timeOver time, the voltage drop was small and the battery performance was improved.
[0061]
  Third referenceAn example is described next. This thirdreferenceThe second examplereferenceSimilar to the example, the cooling plate is characterized by the shape, and the rest of the configuration is the same as that of the conventional polymer electrolyte fuel cell. This thirdreferenceThe cooling plate used in the example fuel cell is the firstreferenceThe shape of the separator 24 described in the example is applied almost as it is. Hereinafter, the cooling plate will be described in detail.
[0062]
  FIG. 11 shows the thirdreferenceIt is a top view of the cooling plate 230 used in the example. As shown in FIG. 11, the cooling plate 230 is formed as a quadrangular plate-like member, and the secondreferenceSimilar to the cooling plate 130 of the example, a large-diameter square hole 231 (233) is provided in the vicinity of the edges of the two opposing sides, and a small-diameter hole is provided near the edges of the other two sides. Two quadrangular holes 235 and 236 (237 and 238) are provided, respectively.
[0063]
  thisreferenceThe exemplary cooling plate 230 includes a firstreferenceCompared to the separator 24 of the example, the fluid flowing through the holes 231, 233, 235 to 238 is different. In the cooling plate 230, the large-diameter holes 231 and 233 form two oxygen-containing gas supply and exhaust passages that penetrate the fuel cell in the stacking direction when stacked. The two small-diameter holes 235 and 238 that face diagonally form two cooling water supply / discharge channels that penetrate the fuel cell in the stacking direction when stacked, and the other small-diameter holes 236 and 237 Similarly, two fuel gas supply / discharge passages penetrating in the stacking direction are formed.
[0064]
A step surface 251 is formed on the inner side of the flat portion of the outer edge where the holes 231, 233, 235, 236, 237, and 238 of the cooling plate 230 are provided. A plurality of rectangular parallelepiped convex portions 253 having a width of 2 [mm], a length of 2 [mm], and a height of 1 [mm] arranged in a regular grid pattern are formed.
[0065]
  In addition, two linear rib pieces 255 and 256 are formed on the step surface 251 so as to divide the width of the step surface 251 into three equal parts. The rib pieces 255 and 256 have the same height 1 [mm] as the convex portion 253, a width 1 [mm], and a length shorter than the lateral width of the stepped surface 251. The rib pieces 255, 256 are connected to end portions 255 a, 256 a in opposite directions to the planar portion of the outer edge of the cooling plate 230, so that the other end portions 255 b, 256 b are separated from the planar portion of the outer edge by a predetermined distance X. It is supposed to be separated only. In addition, this distance X is thisreferenceIn the example, the size is narrower than the width Y of the flow path formed by the rib pieces 255 and 256. Note that the size relationship between the distance X and the width Y is not necessarily larger than the width Y, but the cooling performance varies depending on the size relationship. This difference in cooling performance will be described later.
[0066]
The step surface 251 is divided into three regions by the rib pieces 255 and 256 described above, and these regions communicate with each other. As a result, one large flow path having a meandering shape (bent shape) is formed on the step surface 251. Will be formed. Note that both ends of the flow path are in contact with the positions where the holes 235 and 238 are arranged diagonally, and there is no partition between the end of the flow path and the holes 235 and 238. The channel is connected to the holes 235 and 238. As a result, the cooling water from the cooling water supply / discharge channel including the holes 235 and 238 is supplied to or discharged from the channel on the step surface 251.
[0067]
By such a configuration of the cooling water plate, a serpentine cooling water flow path (large flow path) is largely formed by the rib pieces 255, 256, the stepped surface 251 and the surface of the gas diffusion electrode opposite to the electrolyte membrane. In addition, more precisely, a flow path (small flow path) of cooling water dispersed in a plurality of directions is formed by the convex portion 253, the step surface 251 and the surface of the gas diffusion electrode opposite to the electrolyte membrane.
[0068]
  Configured as aboveThird referenceIn the fuel cell of the example, the cooling water is dispersed in a plurality of directions by the plurality of convex portions 253 formed on the cooling plate 230, and the diffusibility of the cooling water is improved. In addition, the rib pieces 255 and 256 narrow the width of the entire flow path connecting the cooling water inlet and outlet, thereby increasing the flow rate of the cooling water.
[0069]
  Therefore, this thirdreferenceAccording to the fuel cell of the example, the cooling (temperature control) performance can be further improved by the diffusibility of the cooling water and the increase in the flow velocity. For this reason, the battery performance can be further improved.
[0070]
  Furthermore, this thirdreferenceAccording to the fuel cell of the example, the distance X corresponding to the width of the meandering folded portion of the cooling water flow path is smaller than the width Y of the flow path. The flow rate can be further increased. Therefore, the cooling (temperature control) performance can be further improved, and the battery performance can be further improved.
[0071]
  This thirdreferenceIn the fuel cell of the example, the cell performance of the fuel cell obtained by changing the width of the folded portion of the cooling water flow path described above (corresponding to the distance X, and hereinafter, the width of the folded portion is also indicated by X) was compared. Therefore, it will be described next. Here, as a comparison object, the first configuration in which the width X of the folded portion of the cooling water channel is narrower than the width Y of the channel (this third configuration)referenceIn the case of the example), the second configuration in which the width X of the folded portion is equal to the width Y of the flow channel, and the width X of the folded portion is larger than the width Y of the flow channel. Three types with the third configuration were prepared.
[0072]
FIG. 12 is a graph showing the relationship between voltage and current density for the fuel cells having the above-described configurations. In the figure, curve F is for the fuel cell of the first configuration, curve G is for the fuel cell of the second configuration, and curve H is for the fuel cell of the third configuration.
[0073]
As shown in FIG. 11, the fuel cell of the first configuration in which the width X of the folded portion of the cooling water flow path is narrower than the width Y of the flow path is compared with the other two structures in the measurement range. The properties were excellent over all current densities. In particular, it can be seen that the voltage drop in the high current density region (0.5 [A / cm 2] or more) is small. Next, the fuel cell having the same width X and width Y is excellent in battery characteristics.
[0074]
  Therefore, from the result shown in FIG.referenceAs in the example, it was confirmed that the cell performance of the fuel cell was improved by setting the width X of the folded portion of the cooling water channel to be smaller than the width Y of the channel.
[0075]
  Said first and thirdreferenceA modification of the example will be described next. Said first and thirdreferenceThe separators 24 and 25 or the cooling plate 230 provided in the fuel cell of the example form one continuous flow path using the rib pieces 55 and 56 (255 and 256). It is good also as a structure of a separator of the shape like this, or a cooling plate. That is, as shown in FIG. 13, the separator or cooling plate of this modification has rib pieces 355 and 356 formed on both sides of the flow path bottom surface, with both ends being separated from the flat portion of the outer edge. , 356 and the flat portion of both outer edges, the flow path is branched. Also with this configuration, a bent large flow path having a plurality of convex portions 353 can be formed between the supply port 358 and the discharge port 359 of the supply gas or cooling water.referenceExample and thirdreferenceThe fuel cell performance can be improved as in the example.
[0076]
  Further, as a separator or cooling plate of another modified example, as shown in FIG. 14, it has a plurality of convex portions 453 on the bottom surface of the flow channel, and further, a spiral large flow channel is formed on the bottom surface of the flow channel. It is good also as a structure which has the spiral rib part 455 to form. Also with this configuration, a spiral large flow path having a plurality of convex portions 453 can be formed between the supply port 458 and the discharge port 459 of the supply gas or cooling water. 3. The fuel cell performance can be improved in the same way as in the reference example..
[0077]
The embodiments of the present invention have been described above. However, the present invention is not limited to these embodiments, and it is needless to say that the present invention can be implemented in various modes without departing from the gist of the present invention.
[Brief description of the drawings]
[Figure 1]First reference2 is a cross-sectional view schematically showing a structure of a single cell 20 constituting a fuel cell 10 as an example. FIG.
2 is a cross-sectional view schematically showing the overall structure of the fuel cell 10. FIG.
3 is a plan view of a separator 24. FIG.
4 is a perspective view of a half of a separator 24. FIG.
FIG. 5 is a graph showing the relationship between voltage and current density when the fuel cell 10 and a conventional fuel cell are operated under a first condition using a wet supply gas.
FIG. 6 is a graph showing a relationship between voltage and current density when the fuel cell 10 and a conventional fuel cell are operated under a second condition using a dry supply gas.
FIG. 7referenceIt is a top view of the separator 90 as a modification of an example.
[Fig. 8] of the present inventiononeIt is a top view of the separator 95 as an Example.
FIG. 9referenceIt is a top view of the cooling plate 130 used in the example.
FIG. 10referenceIt is a graph which shows the relationship between the voltage and current density about an example fuel cell and the conventional fuel cell.
FIG. 11referenceIt is a top view of the cooling plate 230 used in the example.
FIG. 12 is a graph showing the relationship between voltage and current density for each fuel cell obtained by changing the width of the folded portion of the cooling water flow path.
FIG. 13Reference exampleIt is a top view showing the separator or cooling plate as a modification.
FIG. 14Other variations of the reference exampleIt is a top view showing the separator or cooling plate as an example.
[Explanation of symbols]
10. Solid polymer fuel cell
20 ... Single cell
20 ... Fuel cell
21 ... electrolyte membrane
22 ... Anode
23 ... Cathode
24, 25 ... separator
24P ... Fuel gas flow path
25P ... Oxygen-containing gas flow path
30 ... Cooling plate
41, 43, 45, 46, 47, 48 ... holes
51 ... Step surface
53 ... convex part
55, 56 ... rib pieces
90 ... Separator
91, 92 ... rib pieces
91b, 92b ... end
95 ... Separator
96, 97 ... rib pieces
130 ... Cooling plate
131,133,135,136,137,138 ... hole
151 ... Step surface
153 ... convex portion
230 ... Cooling plate
231,233,235,236,237,238 ... holes
251 ... Step surface
253 ... convex portion
255, 256 ... rib pieces
353 ... convex portion
355, 356 ... rib pieces
358 ... Supply port
359 ... discharge port
453 ... Convex part
455 ... rib part
458 ... Supply port
459 ... outlet

Claims

固体高分子電解質膜を一対の電極で挟持する接合体と、
該接合体に接触し、該電極の面に沿った方向に供給ガスを流す流路を形成する流路形成部材と
を備える燃料電池において、
前記流路形成部材は、
前記電極の面に対向する流路底面と、
該流路底面から突出する１または複数の直線状のリブ片と
を備え、
前記リブ片は、
前記流路底面上の領域を複数の領域に分けて連通させることにより、屈曲形状の前記流路を形成するとともに、各領域によって構成される区間の流路幅を、それぞれの区間内で一定とし、前記供給ガスの下流側に位置する区間ほど狭い大きさとなるよう構成し、
さらに、
前記流路形成部材は、
当該流路形成部材の内部を厚さ方向に貫通する前記供給ガス用の給排流路を備え、
前記給排流路は、
前記屈曲形状に形成された前記供給ガスの流路の両端において当該両端の流路方向端部と接するように配置されており、当該供給ガスの流路に連結されることにより、当該供給ガスの流路の方向に沿って前記供給ガスを供給または排出する構成であることを特徴とする燃料電池。A joined body sandwiching the solid polymer electrolyte membrane between a pair of electrodes;
In a fuel cell comprising: a flow path forming member that contacts the joined body and forms a flow path for flowing a supply gas in a direction along the surface of the electrode.
The flow path forming member is:
A channel bottom surface facing the surface of the electrode;
One or a plurality of linear rib pieces protruding from the bottom surface of the flow path,
The rib pieces are
By dividing the area on the bottom surface of the flow path into a plurality of areas and communicating with each other, the bent flow path is formed, and the flow path width of the section constituted by each area is constant in each section. , The section located downstream of the supply gas is configured to be narrower,
further,
The flow path forming member is:
A supply / discharge flow path for the supply gas that penetrates the flow path forming member in the thickness direction;
The supply / discharge channel is
Wherein and at both ends of the flow path of the feed gas which is formed in the bent shape is disposed in contact with the flow path direction end portion of the opposite ends, by being connected to the flow path of the feed gas, of the feed gas A fuel cell characterized in that the supply gas is supplied or discharged along the direction of the flow path.

前記流路に、前記流路底面から突出する複数の凸部を有する請求項１に記載の燃料電池。 The fuel cell according to claim 1, wherein the flow path has a plurality of protrusions protruding from the bottom surface of the flow path .

固体高分子電解質膜を一対の電極で挟持する接合体と、
該接合体に接触し、該電極の面に沿った方向に供給ガスを流す流路を形成する流路形成部材と
を備える燃料電池において、
前記流路形成部材は、
前記電極の面に対向する流路底面と、
該流路底面から突出する１または複数の直線状のリブ片と
を備え、
前記リブ片は、
前記流路底面上の領域を複数の領域に分けて連通させることにより、屈曲形状の前記流路を形成するとともに、各領域によって構成される区間の流路幅を、前記供給ガスの下流側に位置する区間ほど狭い大きさとなるよう構成し、さらに、当該リブ片により形成される前記流路の折り返し部分の幅を、当該折り返し部分より上流側に位置する領域の前記流路幅より狭い大きさとする構成である燃料電池。 A joined body sandwiching the solid polymer electrolyte membrane between a pair of electrodes;
A flow path forming member that contacts the joined body and forms a flow path for flowing a supply gas in a direction along the surface of the electrode;
In a fuel cell comprising:
The flow path forming member is:
A channel bottom surface facing the surface of the electrode;
One or more linear rib pieces projecting from the bottom surface of the flow path;
With
The rib pieces are
By dividing the region on the bottom surface of the flow channel into a plurality of regions and communicating with each other, the bent flow channel is formed, and the flow channel width of the section constituted by each region is set downstream of the supply gas. configured so that a section narrower size located further the width of the folded portion of the flow path which is more formed on the rib piece is narrower than the channel width of the region located upstream from the folded-back portion size A fuel cell having a structure .

前記流路に、前記流路底面から突出する複数の凸部を有する請求項３に記載の燃料電池。The fuel cell according to claim 3 , wherein the flow path has a plurality of protrusions protruding from the bottom surface of the flow path.

前記区間の流路幅を、それぞれの区間内で一定とした請求項３または４に記載の燃料電池。The fuel cell according to claim 3 or 4 , wherein a flow path width of each section is constant in each section.

請求項３ないし５のいずれかに記載の燃料電池であって、
前記流路形成部材は、
当該流路形成部材の内部を厚さ方向に貫通する前記供給ガス用の給排流路を備え、
前記給排流路は、
前記屈曲形状に形成された前記供給ガスの流路の両端において当該両端の流路方向端部と接するように配置されており、当該供給ガスの流路に連結されることにより、当該供給ガスの流路の方向に沿って前記供給ガスを供給または排出する構成である燃料電池。A fuel cell according to any one of claims 3 to 5,
The flow path forming member is:
A supply / discharge flow path for the supply gas that penetrates the flow path forming member in the thickness direction;
The supply / discharge channel is
Wherein and at both ends of the flow path of the feed gas which is formed in the bent shape is disposed in contact with the flow path direction end portion of the opposite ends, by being connected to the flow path of the feed gas, of the feed gas A fuel cell configured to supply or discharge the supply gas along a flow path direction.