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JP2011258428A - Polymer electrolyte fuel cell and fuel cell stack with the same - Google Patents

Polymer electrolyte fuel cell and fuel cell stack with the same Download PDF

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JP2011258428A
JP2011258428A JP2010132266A JP2010132266A JP2011258428A JP 2011258428 A JP2011258428 A JP 2011258428A JP 2010132266 A JP2010132266 A JP 2010132266A JP 2010132266 A JP2010132266 A JP 2010132266A JP 2011258428 A JP2011258428 A JP 2011258428A
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Japan
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separator
fuel cell
polymer electrolyte
electrode
main surface
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Application number
JP2010132266A
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Japanese (ja)
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Shinsuke Takeguchi
伸介 竹口
Naotada Koashi
直嗣 小足
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Panasonic Corp
Original Assignee
Panasonic Corp
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Publication date
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    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
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  • Inert Electrodes (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

【課題】燃料電池を締結する際にセパレータの位置がずれても、セパレータの接触面積の低下を抑制し、安定した電池性能を確保することができる高分子電解質形燃料電池を提供することを目的とする。
【解決手段】膜電極接合体5と、板状に形成され、膜電極接合体5の第1電極4Aと接触するように配置された導電性の第1セパレータ6Aと、板状に形成され、膜電極接合体5の第2電極4Bと接触するように配置された導電性の第2セパレータ6Bと、を備え、第1セパレータ6Aの第1電極4Aと接触する一方の主面には、溝状の第1反応ガス流路8が形成され、第2電極4Bの第2セパレータ6Bと接触する一方の主面には、複数の直線状の第2リブ部12が並走するように溝状の第2反応ガス流路9が形成されている、高分子電解質形燃料電池。
【選択図】図2
An object of the present invention is to provide a polymer electrolyte fuel cell capable of suppressing a decrease in the contact area of a separator and ensuring stable cell performance even when the position of the separator is shifted when fastening a fuel cell. And
SOLUTION: A membrane electrode assembly 5 is formed in a plate shape, and is formed in a plate shape, a conductive first separator 6A disposed so as to be in contact with a first electrode 4A of the membrane electrode assembly 5, A conductive second separator 6B disposed so as to be in contact with the second electrode 4B of the membrane electrode assembly 5, and a groove on one main surface of the first separator 6A that is in contact with the first electrode 4A. The first reaction gas flow path 8 is formed in a groove shape on one main surface of the second electrode 4B that contacts the second separator 6B so that a plurality of linear second rib portions 12 run in parallel. A polymer electrolyte fuel cell in which the second reaction gas flow path 9 is formed.
[Selection] Figure 2

Description

本発明は、高分子電解質形燃料電池及びそれを備える燃料電池スタックの構成、特に、高分子電解質形燃料電池のセパレータ及びガス拡散電極の構成に関する。   The present invention relates to a configuration of a polymer electrolyte fuel cell and a fuel cell stack including the same, and more particularly to a configuration of a separator and a gas diffusion electrode of a polymer electrolyte fuel cell.

高分子電解質形燃料電池(以下、PEFCという)は、水素を含有した燃料ガスと空気等の酸素を含有した酸化剤ガスとを電気化学反応させることにより、電力と熱とを同時に発生させるものである。PEFCの単電池(セル)は、高分子電解質膜及び一対のガス拡散電極(アノード及びカソード)から構成されるMEA(MemBrAne−Electrode−AssemBly:膜−電極接合体)と、ガスケットと、導電性のセパレータと、を有している。一般的にPEFCは、このセルを複数積層することにより使用されている。   A polymer electrolyte fuel cell (hereinafter referred to as PEFC) generates electric power and heat simultaneously by electrochemically reacting a fuel gas containing hydrogen and an oxidant gas containing oxygen such as air. is there. A single cell (cell) of PEFC includes a MEA (MemBrAne-Electrode-Assembly) comprising a polymer electrolyte membrane and a pair of gas diffusion electrodes (anode and cathode), a gasket, and a conductive And a separator. In general, PEFC is used by stacking a plurality of such cells.

ところで、セパレータの一方の主面には、燃料ガス又は酸化剤ガス(これらを反応ガスという)を供給し、排出するためのマニホールドを形成するマニホールド孔(反応ガス供給用マニホールド孔と反応ガス排出用マニホールド孔)が設けられており、ガス拡散電極と当接する主面には、反応ガスが通流する反応ガス流路がこれらのマニホールド孔と連通するように設けられている。また、セパレータの他方の主面には、PEFC内を所定の温度に制御するために、冷却媒体が通流する冷却媒体流路が設けられている。   By the way, one main surface of the separator is supplied with fuel gas or oxidant gas (these are called reaction gases), and manifold holes for forming exhaust manifolds (reaction gas supply manifold holes and reaction gas discharge holes) are formed. And a reaction gas flow path through which a reaction gas flows is provided on the main surface in contact with the gas diffusion electrode so as to communicate with these manifold holes. In addition, a cooling medium flow path through which a cooling medium flows is provided on the other main surface of the separator in order to control the inside of the PEFC to a predetermined temperature.

このようなセパレータとして、金属板を用いた燃料電池が知られている(例えば、特許文献1参照)。ここで、図14は、特許文献1に開示されている燃料電池の概略構成を模式的に示す断面図である。なお、図14では、燃料電池の一部を省略している。   As such a separator, a fuel cell using a metal plate is known (for example, see Patent Document 1). Here, FIG. 14 is a cross-sectional view schematically showing a schematic configuration of the fuel cell disclosed in Patent Document 1. As shown in FIG. In FIG. 14, a part of the fuel cell is omitted.

図14に示すように、特許文献1に開示されている燃料電池300では、2枚の金属板に、それぞれ、凸部303A、303Bと凹部304A、304Bをプレス加工により設けて、2枚の金属セパレータ301A、301Bを形成している。そして、一方の金属セパレータ301Aの凸部303Aと他方の金属セパレータ301Bの凸部303Bとを接触するように、金属セパレータ301Aと金属セパレータ301Bが配置されている。   As shown in FIG. 14, in the fuel cell 300 disclosed in Patent Document 1, convex portions 303A and 303B and concave portions 304A and 304B are provided on two metal plates by press working, respectively. Separators 301A and 301B are formed. The metal separator 301A and the metal separator 301B are arranged so that the convex portion 303A of one metal separator 301A and the convex portion 303B of the other metal separator 301B are in contact with each other.

特開2004−207071号公報JP 2004-207071 A

しかしながら、上記特許文献1に開示されている燃料電池300では、金属セパレータ301A、301Bが、面方向にずれると、金属セパレータ301A、301B間の接触面積が設計値に比べて減少し、燃料電池300の抵抗損失の増加を招く可能性がある。また、金属セパレータ301A、301B間の接触面積が少なくなると、金属セパレータ301A、301Bの接触部分に想定以上の応力がかかり、金属セパレータ301A、301Bが変形を引き起こしてしまう。その結果、プレス成型によって形成されていた反応ガスや冷却媒体の流路が変形し、設計通りの流体流通ができなくなるという課題がある。   However, in the fuel cell 300 disclosed in Patent Document 1, when the metal separators 301A and 301B are displaced in the surface direction, the contact area between the metal separators 301A and 301B decreases compared to the design value, and the fuel cell 300 May cause an increase in resistance loss. In addition, when the contact area between the metal separators 301A and 301B decreases, stress beyond the assumption is applied to the contact portions of the metal separators 301A and 301B, causing the metal separators 301A and 301B to be deformed. As a result, there is a problem that the flow path of the reaction gas and the cooling medium formed by the press molding is deformed and the fluid circulation as designed cannot be performed.

本発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、燃料電池を締結する際にセパレータの位置がずれても、セパレータの接触面積の低下を抑制し、安定した電池性能を確保することができる、高分子電解質形燃料電池及びそれを備える燃料電池スタックを提供することを目的とする。   The present invention has been made to solve the above-described problems. Even when the position of the separator is shifted when the fuel cell is fastened, the decrease in the contact area of the separator is suppressed and stable battery performance is ensured. An object of the present invention is to provide a polymer electrolyte fuel cell and a fuel cell stack including the same.

上記課題を解決するため、本発明に係る高分子電解質形燃料電池は、高分子電解質膜、並びに、前記高分子電解質膜の一対の主面を挟む第1電極及び第2電極を有する膜電極接合体と、板状に形成され、前記膜電極接合体の前記第1電極と接触するように配置された導電性の第1セパレータと、板状に形成され、前記膜電極接合体の前記第2電極と接触するように配置された導電性の第2セパレータと、を備え、前記第1セパレータの前記第1電極と接触する一方の主面には、溝状の第1反応ガス流路が形成され、前記第2電極の前記第2セパレータと接触する一方の主面には、溝状の第2反応ガス流路が形成されている。   In order to solve the above problems, a polymer electrolyte fuel cell according to the present invention includes a polymer electrolyte membrane, and a membrane electrode joint having a first electrode and a second electrode sandwiching a pair of main surfaces of the polymer electrolyte membrane. And a conductive first separator formed in a plate shape and arranged to contact the first electrode of the membrane electrode assembly, and formed in a plate shape and the second of the membrane electrode assembly. A conductive second separator disposed in contact with the electrode, and a groove-shaped first reactive gas flow path is formed on one main surface of the first separator that contacts the first electrode. In addition, a groove-like second reaction gas flow path is formed on one main surface of the second electrode that contacts the second separator.

これにより、燃料電池を締結する際にセパレータの位置がずれても、セパレータの接触面積の低下を抑制することができる。   Thereby, even if the position of a separator shifts | deviates when fastening a fuel cell, the fall of the contact area of a separator can be suppressed.

また、本発明に係る高分子電解質形燃料電池では、前記第2セパレータは、その中央部が平坦になるように形成されていてもよい。   In the polymer electrolyte fuel cell according to the present invention, the second separator may be formed so that a central portion thereof is flat.

また、本発明に係る高分子電解質形燃料電池では、前記第2セパレータの前記第2電極と接触する主面には、前記第2反応ガス流路の上流端と連通するように第2上流サブガス流路及び前記第2反応ガス流路の下流端と連通するように第2下流サブガス流路が設けられていてもよい。   In the polymer electrolyte fuel cell according to the present invention, the second upstream subgas may be communicated with the upstream surface of the second reaction gas channel on the main surface of the second separator that contacts the second electrode. A second downstream sub-gas channel may be provided so as to communicate with the channel and the downstream end of the second reaction gas channel.

また、本発明に係る高分子電解質形燃料電池では、前記第2セパレータは、該第2セパレータの厚み方向から見て、前記第2電極と接触する主面と反対側の主面における前記第2電極と重なる部分のうち、前記第2上流サブガス流路と前記第2下流サブガス流路以外の部分が、平坦になるように形成されていてもよい。   Moreover, in the polymer electrolyte fuel cell according to the present invention, the second separator has the second surface on the main surface opposite to the main surface in contact with the second electrode as viewed from the thickness direction of the second separator. Of the portion overlapping the electrode, a portion other than the second upstream sub-gas channel and the second downstream sub-gas channel may be formed to be flat.

また、本発明に係る高分子電解質形燃料電池では、前記高分子電解質膜の主面の周縁部に配置された環状の膜補強部材を備え、前記膜補強部材は、前記第2セパレータの前記第2電極と接触する一方の主面(以下、第2セパレータの一方の主面)と接触するように設けられていてもよい。   The polymer electrolyte fuel cell according to the present invention further includes an annular membrane reinforcing member disposed at a peripheral portion of the main surface of the polymer electrolyte membrane, and the membrane reinforcing member includes the second separator of the second separator. You may provide so that it may contact with one main surface (henceforth one main surface of a 2nd separator) which contacts 2 electrodes.

また、本発明に係る高分子電解質形燃料電池では、前記膜補強部材の前記第2セパレータの一方の主面と接触する部分には、前記第2反応ガス流路の上流端と連通するように第2上流サブガス流路と前記第2反応ガス流路の下流端と連通するように第2下流サブガス流路が設けられていてもよい。   In the polymer electrolyte fuel cell according to the present invention, a portion of the membrane reinforcing member that contacts one main surface of the second separator communicates with an upstream end of the second reaction gas channel. A second downstream sub-gas channel may be provided so as to communicate with the second upstream sub-gas channel and the downstream end of the second reactive gas channel.

また、本発明に係る高分子電解質形燃料電池では、前記膜補強部材の前記第2セパレータの一方の主面と接触する部分には、前記第2反応ガス流路の上流端と連通するように第2上流サブガス流路及び前記第2反応ガス流路の下流端と連通するように第2下流サブガス流路の少なくとも一方の流路が設けられ、前記第2セパレータの前記第2電極と接触する主面には、前記第2反応ガス流路の上流端と連通するように第2上流サブガス流路及び前記第2反応ガス流路の下流端と連通するように第2下流サブガス流路の少なくとも他方の流路が設けられていてもよい。   In the polymer electrolyte fuel cell according to the present invention, a portion of the membrane reinforcing member that contacts one main surface of the second separator communicates with an upstream end of the second reaction gas channel. At least one of the second downstream sub-gas channels is provided to communicate with the second upstream sub-gas channel and the downstream end of the second reaction gas channel, and is in contact with the second electrode of the second separator. The main surface includes at least a second upstream sub-gas channel and a second downstream sub-gas channel so as to communicate with an upstream end of the second reactive gas channel and a downstream end of the second reactive gas channel. The other channel may be provided.

また、本発明に係る高分子電解質形燃料電池では、前記第2セパレータは、該第2セパレータの厚み方向から見て、前記第2電極と接触する主面と反対側の主面における前記第2電極と重なる部分が平坦になるように形成されていてもよい。   Moreover, in the polymer electrolyte fuel cell according to the present invention, the second separator has the second surface on the main surface opposite to the main surface in contact with the second electrode as viewed from the thickness direction of the second separator. The part overlapping with the electrode may be formed to be flat.

また、本発明に係る高分子電解質形燃料電池では、前記第1反応ガス流路は、複数の直線状の第1リブ部が並走するように形成されていてもよい。   In the polymer electrolyte fuel cell according to the present invention, the first reaction gas channel may be formed such that a plurality of linear first rib portions run in parallel.

また、本発明に係る高分子電解質形燃料電池では、前記第1リブ部と前記第2リブ部は、前記第2セパレータの厚み方向から見て、互いに並走するように形成されていてもよい。   In the polymer electrolyte fuel cell according to the present invention, the first rib portion and the second rib portion may be formed so as to run in parallel with each other when viewed from the thickness direction of the second separator. .

さらに、本発明の高分子電解質形燃料電池では、前記第2電極は、ガス拡散層を有し、該ガス拡散層は、高分子樹脂と導電性粒子を有し、通気性を有するように形成されていてもよい。また、前記第2反応ガス流路は、前記第2電極の前記ガス拡散層に形成されていてもよい。   Furthermore, in the polymer electrolyte fuel cell of the present invention, the second electrode has a gas diffusion layer, and the gas diffusion layer has a polymer resin and conductive particles, and is formed to have air permeability. May be. Further, the second reaction gas flow path may be formed in the gas diffusion layer of the second electrode.

また、本発明に係る燃料電池スタックは、複数の前記高分子電解質形燃料電池が積層して締結されている。   In the fuel cell stack according to the present invention, a plurality of the polymer electrolyte fuel cells are stacked and fastened.

本発明の高分子電解質形燃料電池及びそれを備える燃料電池スタックによれば、燃料電池を締結する際にセパレータの位置がずれても、セパレータの接触面積の低下を抑制し、安定した電池性能を確保することが可能となる。   According to the polymer electrolyte fuel cell of the present invention and the fuel cell stack including the same, even when the position of the separator is shifted when the fuel cell is fastened, the decrease in the contact area of the separator is suppressed, and stable battery performance is achieved. It can be secured.

図1は、本発明の実施の形態1に係る燃料電池スタックの概略構成を模式的に示す斜視図である。FIG. 1 is a perspective view schematically showing a schematic configuration of a fuel cell stack according to Embodiment 1 of the present invention. 図2は、図1に示す燃料電池スタックにおけるセル積層体の概略構成を模式的に示す断面図である。2 is a cross-sectional view schematically showing a schematic configuration of a cell stack in the fuel cell stack shown in FIG. 図3は、図2に示す高分子電解質形燃料電池のカソードガス拡散層の概略構成を示す模式図である。FIG. 3 is a schematic diagram showing a schematic configuration of the cathode gas diffusion layer of the polymer electrolyte fuel cell shown in FIG. 図4は、図2に示す高分子電解質形燃料電池のカソードセパレータの概略構成を示す模式図である。FIG. 4 is a schematic diagram showing a schematic configuration of a cathode separator of the polymer electrolyte fuel cell shown in FIG. 図5は、図2に示す高分子電解質形燃料電池のカソードセパレータにカソードガス拡散層を重ねて、カソードセパレータの厚み方向から透視した模式図である。FIG. 5 is a schematic view in which a cathode gas diffusion layer is superimposed on the cathode separator of the polymer electrolyte fuel cell shown in FIG. 2 and is seen through from the thickness direction of the cathode separator. 図6は、図2に示す高分子電解質形燃料電池のアノードセパレータの概略構成を示す模式図である。FIG. 6 is a schematic diagram showing a schematic configuration of an anode separator of the polymer electrolyte fuel cell shown in FIG. 図7は、本実施の形態1に係る高分子電解質形燃料電池の変形例1における高分子電解質形燃料電池のカソードガス拡散層の概略構成を示す模式図である。FIG. 7 is a schematic diagram showing a schematic configuration of the cathode gas diffusion layer of the polymer electrolyte fuel cell in Modification 1 of the polymer electrolyte fuel cell according to the first embodiment. 図8は、本変形例1の高分子電解質形燃料電池のカソードセパレータの概略構成を示す模式図である。FIG. 8 is a schematic diagram showing a schematic configuration of the cathode separator of the polymer electrolyte fuel cell according to the first modification. 図9は、図8に示すカソードセパレータに、図7に示すカソードガス拡散層を重ねて、カソードセパレータの厚み方向から透視した模式図である。FIG. 9 is a schematic view in which the cathode gas diffusion layer shown in FIG. 7 is superimposed on the cathode separator shown in FIG. 8 and is seen through from the thickness direction of the cathode separator. 図10は、本発明の実施の形態2に係る燃料電池スタックにおけるセル積層体の概略構成を模式的に示す断面図である。FIG. 10 is a cross-sectional view schematically showing a schematic configuration of the cell stack in the fuel cell stack according to Embodiment 2 of the present invention. 図11は、図10に示す高分子電解質形燃料電池における膜補強部材の概略構成を示す模式図である。FIG. 11 is a schematic diagram showing a schematic configuration of a membrane reinforcing member in the polymer electrolyte fuel cell shown in FIG. 図12は、図11に示す膜補強部材に図3に示すカソードガス拡散層を重ねた模式図である。12 is a schematic view in which the cathode gas diffusion layer shown in FIG. 3 is overlaid on the membrane reinforcing member shown in FIG. 図13は、図10に示す高分子電解質形燃料電池におけるカソードセパレータの概略構成を示す模式図である。FIG. 13 is a schematic diagram showing a schematic configuration of a cathode separator in the polymer electrolyte fuel cell shown in FIG. 図14は、特許文献1に開示されている燃料電池の概略構成を模式的に示す断面図である。FIG. 14 is a cross-sectional view schematically showing a schematic configuration of the fuel cell disclosed in Patent Document 1. As shown in FIG.

以下、本発明の好ましい実施の形態を、図面を参照しながら説明する。なお、全ての図面において、同一または相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する。また、全ての図面において、本発明を説明するために必要となる構成要素のみを抜粋して図示しており、その他の構成要素については図示を省略している。さらに、本発明は以下の実施の形態に限定されない。   Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In all the drawings, the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted. Further, in all the drawings, only components necessary for explaining the present invention are extracted and illustrated, and other components are not illustrated. Furthermore, the present invention is not limited to the following embodiment.

(実施の形態1)
本発明の実施の形態1に係る高分子電解質形燃料電池及びそれを備える燃料電池スタックは、第2電極に第2反応ガス流路が形成されている態様を例示するものである。
[燃料電池スタックの構成]
図1は、本発明の実施の形態1に係る燃料電池スタックの概略構成を模式的に示す斜視図である。
(Embodiment 1)
The polymer electrolyte fuel cell and the fuel cell stack including the same according to Embodiment 1 of the present invention illustrate an aspect in which a second reaction gas channel is formed in the second electrode.
[Configuration of fuel cell stack]
FIG. 1 is a perspective view schematically showing a schematic configuration of a fuel cell stack according to Embodiment 1 of the present invention.

図1に示すように、本発明の実施の形態1に係る燃料電池スタック100は、板状の全体形状を有する高分子電解質形燃料電池(以下、単に燃料電池という)50がその厚み方向に積層されてなるセル積層体70と、セル積層体70の両端に配置された端板61、62と、端板61、セル積層体70、及び端板62を燃料電池50の積層方向において締結する図示されない締結具と、を有している。なお、端板61とセル積層体70の間及び端板62とセル積層体70の間には、集電板及び絶縁板がそれぞれ配設されているが図示を省略している。   As shown in FIG. 1, a fuel cell stack 100 according to Embodiment 1 of the present invention includes a polymer electrolyte fuel cell (hereinafter simply referred to as a fuel cell) 50 having a plate-like overall shape stacked in the thickness direction. The cell stack 70 formed, the end plates 61 and 62 disposed at both ends of the cell stack 70, and the end plate 61, the cell stack 70, and the end plate 62 are fastened in the stacking direction of the fuel cell 50. A fastener that is not provided. A current collecting plate and an insulating plate are disposed between the end plate 61 and the cell stack 70 and between the end plate 62 and the cell stack 70, respectively, but are not shown.

セル積層体70には、該セル積層体70の燃料電池50の積層方向に貫通するように、燃料ガス供給マニホールド131、燃料ガス排出マニホールド132、酸化剤ガス供給マニホールド133、酸化剤ガス排出マニホールド134、冷却媒体供給マニホールド135、及び冷却媒体排出マニホールド136が設けられている。それぞれのマニホールドには、適宜な配管が設けられていて、燃料電池スタック100に燃料ガス、酸化剤ガス、及び冷却媒体が供給され、排出される。   The cell stack 70 includes a fuel gas supply manifold 131, a fuel gas discharge manifold 132, an oxidant gas supply manifold 133, and an oxidant gas discharge manifold 134 so as to penetrate the cell stack 70 in the stacking direction of the fuel cells 50. A cooling medium supply manifold 135 and a cooling medium discharge manifold 136 are provided. Each manifold is provided with appropriate piping, and fuel gas, oxidant gas, and cooling medium are supplied to the fuel cell stack 100 and discharged.

[高分子電解質形燃料電池の構成]
次に、本発明の実施の形態1に係る高分子電解質形燃料電池の構成について図2を参照しながら説明する。
[Configuration of polymer electrolyte fuel cell]
Next, the configuration of the polymer electrolyte fuel cell according to Embodiment 1 of the present invention will be described with reference to FIG.

図2は、図1に示す燃料電池スタック100におけるセル積層体70の概略構成を模式的に示す断面図である。   FIG. 2 is a cross-sectional view schematically showing a schematic configuration of the cell stack 70 in the fuel cell stack 100 shown in FIG.

図2に示すように、本実施の形態1に係る燃料電池50は、MEA(MemBrAne−Electrode−AssemBly:膜電極接合体)5と、ガスケット7A、7B,7Cと、アノードセパレータ(第1セパレータ)6Aと、カソードセパレータ(第2セパレータ)6Bと、を備えている。   As shown in FIG. 2, the fuel cell 50 according to the first embodiment includes an MEA (MemBrAne-Electrode-Assembly) 5, gaskets 7A, 7B, and 7C, and an anode separator (first separator). 6A and a cathode separator (second separator) 6B.

MEA5は、水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜1と、アノード電極(第1電極)4Aと、カソード電極(第2電極)4Bと、を有している。高分子電解質膜1は、略4角形(ここでは、矩形)の形状を有しており、高分子電解質膜1の両面には、その周縁部より内方に位置するようにアノード電極4Aとカソード電極4Bがそれぞれ設けられている。なお、高分子電解質膜1の周縁部には、冷却媒体供給マニホールド孔35等の各マニホールド孔が厚み方向に貫通するように設けられている。   The MEA 5 includes a polymer electrolyte membrane 1 that selectively transports hydrogen ions, an anode electrode (first electrode) 4A, and a cathode electrode (second electrode) 4B. The polymer electrolyte membrane 1 has a substantially quadrangular (here, rectangular) shape, and an anode electrode 4A and a cathode are positioned on both sides of the polymer electrolyte membrane 1 so as to be located inward from the peripheral edge thereof. Electrodes 4B are provided respectively. Note that manifold holes such as the cooling medium supply manifold hole 35 are provided in the peripheral edge portion of the polymer electrolyte membrane 1 so as to penetrate in the thickness direction.

アノード電極4Aは、高分子電解質膜1の一方の主面上に設けられ、略4角形(ここでは、矩形)の形状を有している。また、アノード電極4Aは、アノード触媒層2Aと、アノード触媒層2Aの上に設けられたアノードガス拡散層3Aと、を有している。アノード触媒層2Aは、白金系金属触媒(電極触媒)を担持したカーボン粉末(導電性炭素粒子)からなる触媒担持カーボンと触媒担持カーボンに付着した高分子電解質を含んで構成されている。また、アノードガス拡散層3Aは、ガス通気性と導電性を兼ね備えていて、アノードガス拡散層3Aを構成する材料としては、特に限定されることなく、当該分野で公知のものを使用することができ、例えば、カーボンクロスやカーボンペーパーなどの導電性多孔質基材を用いることができる。また、この導電性多孔質基材には、従来公知の方法で撥水処理を施しても構わない。   The anode electrode 4A is provided on one main surface of the polymer electrolyte membrane 1, and has a substantially quadrangular (here, rectangular) shape. The anode electrode 4A includes an anode catalyst layer 2A and an anode gas diffusion layer 3A provided on the anode catalyst layer 2A. The anode catalyst layer 2A includes a catalyst-supporting carbon made of carbon powder (conductive carbon particles) supporting a platinum-based metal catalyst (electrode catalyst) and a polymer electrolyte attached to the catalyst-supporting carbon. The anode gas diffusion layer 3A has both gas permeability and conductivity, and the material constituting the anode gas diffusion layer 3A is not particularly limited, and those known in the art may be used. For example, a conductive porous substrate such as carbon cloth or carbon paper can be used. In addition, the conductive porous substrate may be subjected to water repellent treatment by a conventionally known method.

カソード電極4Bは、高分子電解質膜1の他方の主面上に設けられ、略4角形(ここでは、矩形)の形状を有している。また、カソード電極4Bは、カソード触媒層2Bと、カソード触媒層2Bの上に設けられ、ガス通気性と導電性を兼ね備えたカソードガス拡散層3Bと、を有していて、カソード電極4B(正確には、カソードガス拡散層3B)のカソードセパレータ6Bと接触する主面には、酸化剤ガスが通流するための溝状の酸化剤ガス流路(第2反応ガス流路)9が形成されている。カソード触媒層2Bは、白金系金属触媒(電極触媒)を担持したカーボン粉末(導電性炭素粒子)からなる触媒担持カーボンと触媒担持カーボンに付着した高分子電解質を含んで構成されている。なお、酸化剤ガス流路9の詳細な構成については、後述する。   The cathode electrode 4B is provided on the other main surface of the polymer electrolyte membrane 1, and has a substantially quadrangular (here, rectangular) shape. The cathode electrode 4B includes a cathode catalyst layer 2B and a cathode gas diffusion layer 3B provided on the cathode catalyst layer 2B and having gas permeability and conductivity. In the cathode gas diffusion layer 3B), a groove-like oxidant gas flow path (second reactive gas flow path) 9 is formed on the main surface of the cathode gas diffusion layer 3B) that is in contact with the cathode separator 6B. ing. The cathode catalyst layer 2B includes a catalyst-supporting carbon made of carbon powder (conductive carbon particles) supporting a platinum-based metal catalyst (electrode catalyst) and a polymer electrolyte attached to the catalyst-supporting carbon. The detailed configuration of the oxidant gas channel 9 will be described later.

また、カソードガス拡散層3Bは、従来の燃料電池におけるガス拡散層で使用されている樹脂を含浸した炭素繊維の基材を用いずに、高分子樹脂と導電性粒子とを有するシートで構成されていて、通気性を有するように形成されている。   The cathode gas diffusion layer 3B is made of a sheet having a polymer resin and conductive particles without using a carbon fiber base material impregnated with a resin used in the gas diffusion layer in the conventional fuel cell. And is formed to have air permeability.

導電性粒子の材料としては、例えば、グラファイト、カーボンブラック、活性炭等のカーボン材料が挙げられる。カーボンブラックとしては、アセチレンブラック(AB)、ファーネスブラック、ケッチェンブラック、バルカン等が挙げられ、これらの材料を単独で使用してもよく、また、複数の材料を組み合わせて使用してもよい。また、上記カーボン材料の原料形態としては、粉末状、繊維状、粒状等のいずれの形状でもよい。   Examples of the conductive particle material include carbon materials such as graphite, carbon black, and activated carbon. Examples of carbon black include acetylene black (AB), furnace black, ketjen black, Vulcan, and the like. These materials may be used alone, or a plurality of materials may be used in combination. In addition, the raw material form of the carbon material may be any shape such as powder, fiber, and granule.

また、高分子樹脂としては、PTFE(ポリテトラフルオロエチレン)、FEP(テトラフルオロエチレン・ヘキサフルオロプロピレン共重合体)、PVDF(ポリビニリデンフルオライド)、ETFE(テトラフルオロエチレン・エチレン共重合体)、PCTFE(ポリクロロトリフルオロエチレン)、PFA(テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体)等が挙げられ、耐熱性、撥水性、耐薬品性の観点からPTFEが好ましい。PTFEの原料としては、ディスパージョン及び粉末状の形状があげられるが、ディスパージョンが、作業性の点から好ましい。なお、高分子樹脂は、導電性粒子同士を結着するバインダーとしての機能を有する。また、高分子樹脂は、撥水性を有するため、燃料電池50の内部にて水を系内に閉じ込める機能(保水性)も有する。   In addition, as the polymer resin, PTFE (polytetrafluoroethylene), FEP (tetrafluoroethylene / hexafluoropropylene copolymer), PVDF (polyvinylidene fluoride), ETFE (tetrafluoroethylene / ethylene copolymer), PCTFE (polychlorotrifluoroethylene), PFA (tetrafluoroethylene / perfluoroalkyl vinyl ether copolymer) and the like can be mentioned, and PTFE is preferable from the viewpoints of heat resistance, water repellency and chemical resistance. The raw material of PTFE includes a dispersion and a powdery shape, but the dispersion is preferable from the viewpoint of workability. The polymer resin has a function as a binder that binds the conductive particles. In addition, since the polymer resin has water repellency, it also has a function (water retention) to confine water in the system inside the fuel cell 50.

また、カソードガス拡散層3Bには、導電性粒子及び高分子樹脂以外に、該カソードガス拡散層3Bの製造時に使用する界面活性剤及び分散溶媒などが微量含まれていてもよい。分散溶媒としては、例えば、水、メタノール及びエタノール等のアルコール類、エチレングリコール等のグリコール類が挙げられる。界面活性剤としては、例えば、ポリオキシエチレンアルキルエーテル等のノニオン系、アルキルアミンオキシド等の両性イオン系が挙げられる。製造時に使用する分散溶媒の量及び界面活性剤の量は、導電性粒子の種類、高分子樹脂の種類、それらの配合比率などに応じて適宜設定すればよい。一般的には、分散溶媒量、界面活性剤量が多いほど、高分子樹脂(フッ素樹脂)と導電性粒子(カーボン)が均一分散しやすいが、流動性が高くなり、シート化が難しくなる傾向がある。なお、カソードガス拡散層3Bには、導電性粒子と高分子樹脂と界面活性剤と分散溶媒以外の材料(例えば、短繊維の炭素繊維など)が含まれていてもよい。   Further, the cathode gas diffusion layer 3B may contain a trace amount of a surfactant, a dispersion solvent, and the like used in manufacturing the cathode gas diffusion layer 3B in addition to the conductive particles and the polymer resin. Examples of the dispersion solvent include water, alcohols such as methanol and ethanol, and glycols such as ethylene glycol. Examples of the surfactant include nonionic compounds such as polyoxyethylene alkyl ethers and zwitterionic compounds such as alkylamine oxides. What is necessary is just to set suitably the quantity of the dispersion solvent used at the time of manufacture, and the quantity of surfactant according to the kind of electroconductive particle, the kind of polymer resin, those compounding ratios, etc. In general, as the amount of the dispersion solvent and the amount of surfactant increases, the polymer resin (fluororesin) and conductive particles (carbon) tend to be uniformly dispersed, but the fluidity tends to increase and it becomes difficult to form a sheet. There is. The cathode gas diffusion layer 3B may include materials other than the conductive particles, the polymer resin, the surfactant, and the dispersion solvent (for example, short-fiber carbon fibers).

そして、カソードガス拡散層3Bには、バインダーとしての機能を奏させる観点から、高分子樹脂が、5重量%以上含まれていることが好ましく、カソードガス拡散層3Bを均一な厚さにするための圧延プロセス時の条件を簡易にする観点から、50重量%以下で含まれていることが好ましい。また、上記と同様の観点から、10〜30重量%の量で含まれていることがより好ましい。   The cathode gas diffusion layer 3B preferably contains 5% by weight or more of a polymer resin from the viewpoint of exerting a function as a binder, so that the cathode gas diffusion layer 3B has a uniform thickness. From the viewpoint of simplifying the conditions during the rolling process, it is preferably contained at 50% by weight or less. Moreover, it is more preferable that it is contained in the quantity of 10-30 weight% from a viewpoint similar to the above.

ここで、カソードガス拡散層3Bの製造方法について説明する。   Here, a manufacturing method of the cathode gas diffusion layer 3B will be described.

カソードガス拡散層3Bは、高分子樹脂と導電性粒子とを含む混合物を混練して、押出し、圧延してから、焼成することにより製造する。具体的には、導電性粒子であるカーボンと分散溶媒、界面活性剤を攪拌・混錬機に投入後、混錬して粉砕・造粒して、カーボンを分散溶媒中に分散させる。ついで、高分子樹脂であるフッ素樹脂をさらに攪拌・混錬機に投下して、攪拌及び混錬して、カーボンとフッ素樹脂を分散する。得られた混錬物を圧延してシートを形成し、焼成して分散溶媒、界面活性剤を除去することでカソードガス拡散層3Bを形成するシートが製造される。そして、このようにして製造されたシートの主面に、適宜な方法(例えば、プレス機等を用いた成型や、切削機等を用いた切削)により、酸化剤ガス流路9となる溝を形成して、カソードガス拡散層3Bが得られる。なお、界面活性剤は、導電性粒子の材料(カーボン材料)、分散溶媒の種類により適宜選択でき、また、界面活性剤を使用しなくてもよい。   The cathode gas diffusion layer 3B is manufactured by kneading, extruding, rolling, and firing a mixture containing a polymer resin and conductive particles. Specifically, carbon, which is conductive particles, a dispersion solvent, and a surfactant are introduced into a stirrer / kneader, and then kneaded, pulverized, and granulated to disperse the carbon in the dispersed solvent. Next, the fluororesin, which is a polymer resin, is further dropped into a stirrer / kneader and stirred and kneaded to disperse the carbon and the fluororesin. The obtained kneaded material is rolled to form a sheet, and fired to remove the dispersion solvent and the surfactant, thereby producing a sheet for forming the cathode gas diffusion layer 3B. And the groove | channel used as the oxidant gas flow path 9 is formed in the main surface of the sheet | seat manufactured in this way by appropriate methods (for example, shaping | molding using a press machine etc., cutting using a cutting machine etc.). Thus, the cathode gas diffusion layer 3B is obtained. The surfactant can be appropriately selected depending on the material of the conductive particles (carbon material) and the type of the dispersion solvent, and the surfactant need not be used.

なお、このようにして製造されたカソードガス拡散層3Bは、従来の燃料電池におけるガス拡散層で使用されている樹脂を含浸した炭素繊維の基材よりも多孔度が低いものの、反応ガス(酸化剤ガス)が、充分に移動できる(充分に通気性を有する)程度の多孔度となるように構成されている。このため、上記製造方法で製造されたカソードガス拡散層3Bであっても、ガス拡散層としての役割を充分に果たす。なお、本実施の形態1においては、アノードガス拡散層3Aを従来の燃料電池のガス拡散層と同様に、導電性多孔質基材を用いる形態としたが、これに限定されず、カソードガス拡散層3Bのように、高分子樹脂と導電性粒子とを有するシートで構成される形態を採用してもよい。   The cathode gas diffusion layer 3B thus manufactured has a lower porosity than the carbon fiber base material impregnated with the resin used in the gas diffusion layer in the conventional fuel cell, but the reaction gas (oxidation gas) The agent gas) is configured to have a porosity that can move sufficiently (has sufficient air permeability). For this reason, even the cathode gas diffusion layer 3B manufactured by the above manufacturing method sufficiently fulfills the role as a gas diffusion layer. In the first embodiment, the anode gas diffusion layer 3A is made of a conductive porous substrate in the same manner as the gas diffusion layer of the conventional fuel cell. However, the present invention is not limited to this. You may employ | adopt the form comprised with the sheet | seat which has high molecular resin and electroconductive particle like the layer 3B.

また、MEA5のアノード電極4A及びカソード電極4Bの周囲には、高分子電解質膜1を挟んで一対のフッ素ゴム製でドーナツ状のガスケット7A、7Bが、それぞれ、配設されている。これにより、燃料ガスや酸化剤ガスが電池外にリークされることが防止され、また、燃料電池50内でこれらのガスが互いに混合されることが防止される。なお、ガスケット7A、7Bの周縁部には、厚み方向の貫通孔からなる冷却媒体供給マニホールド孔35等のマニホールド孔が設けられている。また、ガスケット7A、7Bは、燃料ガスや酸化剤ガスが電池外にリークされることが防止され、また、燃料電池100内でこれらのガスが互いに混合されることが防止されれば、その形状は任意である。   Further, around the anode electrode 4A and the cathode electrode 4B of the MEA 5, a pair of fluorine rubber doughnut-shaped gaskets 7A and 7B are disposed with the polymer electrolyte membrane 1 interposed therebetween. This prevents fuel gas and oxidant gas from leaking out of the battery, and prevents these gases from being mixed with each other in the fuel cell 50. Note that manifold holes such as a cooling medium supply manifold hole 35 formed of through-holes in the thickness direction are provided in the peripheral portions of the gaskets 7A and 7B. Further, the gaskets 7A and 7B have shapes if the fuel gas and the oxidant gas are prevented from leaking out of the battery, and these gases are prevented from being mixed with each other in the fuel cell 100. Is optional.

また、MEA5とガスケット7A、7Bを挟むように、導電性のアノードセパレータ6Aとカソードセパレータ6Bが配設されている。これにより、MEA5が機械的に固定され、複数の燃料電池50をその厚み方向に積層したときには、MEA5が電気的に接続される。なお、これらのセパレータ6A、6Bは、熱伝導性及び導電性に優れた金属を使用することができ、例えば、チタンやステンレス鋼製の板の表面に金メッキを施したものを使用することができる。   Further, a conductive anode separator 6A and a cathode separator 6B are disposed so as to sandwich the MEA 5 and the gaskets 7A and 7B. Thereby, MEA 5 is mechanically fixed, and when a plurality of fuel cells 50 are stacked in the thickness direction, MEA 5 is electrically connected. In addition, these separators 6A and 6B can use the metal excellent in heat conductivity and electroconductivity, For example, what gave the surface of the plate made from titanium or stainless steel gold-plating can be used. .

さらに、隣接するアノードセパレータ6Aとカソードセパレータ6Bとの間には、フッ素ゴム製でドーナツ状のガスケット7Cが配設されている。これにより、冷却媒体が燃料電池50外にリークされることが防止される。なお、ガスケット7Cの周縁部には、厚み方向の貫通孔からなる冷却媒体供給マニホールド孔35等のマニホールド孔が設けられている。   Further, a doughnut-shaped gasket 7C made of fluororubber is disposed between the adjacent anode separator 6A and cathode separator 6B. This prevents the cooling medium from leaking out of the fuel cell 50. A manifold hole such as a cooling medium supply manifold hole 35 made of a through hole in the thickness direction is provided at the peripheral edge of the gasket 7C.

アノードセパレータ6Aのアノード電極4Aと接触する一方の主面(以下、内面という)には、燃料ガスが通流するための溝状の燃料ガス流路(第1反応ガス流路)8が設けられており、また、他方の主面(以下、外面という)には、冷却媒体(例えば、水やエチレングリコール等の不凍液)が通流するための溝状の冷却媒体流路10が設けられている。また、カソードセパレータ6Bのカソード電極4Bと接触する一方の主面(以下、内面という)には、酸化剤ガス供給マニホールド孔33から酸化剤ガス流路9に酸化剤ガスを供給するための溝状の上流サブガス流路91と酸化剤ガス流路9を通流した酸化剤ガスを酸化剤ガス排出マニホールド孔34に排出するための溝状の下流サブガス流路92が設けられている(図4参照)。なお、冷却媒体流路10の構成は、任意であり、例えば、サーペンタイン状に形成されていてもよく、ストレート状に形成されていてもよい。また、燃料ガス流路8を通流する燃料ガスの露点及び酸化剤ガス流路9を通流する酸化剤ガスの露点は、冷却媒体流路10を通流する冷却媒体の温度よりも低くてもよく、また、冷却媒体の温度よりも高くてもよい。   A groove-like fuel gas flow path (first reaction gas flow path) 8 through which fuel gas flows is provided on one main surface (hereinafter referred to as an inner surface) of the anode separator 6A that is in contact with the anode electrode 4A. The other main surface (hereinafter referred to as the outer surface) is provided with a groove-like cooling medium flow path 10 through which a cooling medium (for example, antifreeze such as water or ethylene glycol) flows. . Further, on one main surface (hereinafter referred to as an inner surface) that contacts the cathode electrode 4B of the cathode separator 6B, a groove shape for supplying the oxidant gas from the oxidant gas supply manifold hole 33 to the oxidant gas flow path 9 is provided. A groove-shaped downstream sub-gas channel 92 is provided for discharging the oxidant gas flowing through the upstream sub-gas channel 91 and the oxidant gas channel 9 to the oxidant gas discharge manifold hole 34 (see FIG. 4). ). In addition, the structure of the cooling medium flow path 10 is arbitrary, for example, it may be formed in a serpentine shape or may be formed in a straight shape. Further, the dew point of the fuel gas flowing through the fuel gas flow path 8 and the dew point of the oxidant gas flowing through the oxidant gas flow path 9 are lower than the temperature of the cooling medium flowing through the cooling medium flow path 10. It may be higher than the temperature of the cooling medium.

これにより、アノード電極4A及びカソード電極4Bには、それぞれ燃料ガス及び酸化剤ガスが供給され、これらの反応ガスが反応して電気と熱が発生する。また、冷却水等の冷却媒体を冷却媒体流路10に通流させることにより、発生した熱の回収が行われる。   Thereby, fuel gas and oxidant gas are supplied to the anode electrode 4A and the cathode electrode 4B, respectively, and these reaction gases react to generate electricity and heat. Further, the generated heat is recovered by passing a cooling medium such as cooling water through the cooling medium flow path 10.

なお、このように構成された燃料電池50を単電池(セル)として使用してもよく、燃料電池50を複数積層して燃料電池スタック100として使用してもよい。また、本実施の形態1においては、第1セパレータをアノードセパレータ6Aとし、第2セパレータをカソードセパレータ6Bとし、また、第1反応ガス流路を燃料ガス流路8とし、第2反応ガス流路を酸化剤ガス流路9としたが、これに限定されず、第1セパレータをカソードセパレータ6Bとし、第2セパレータをアノードセパレータ6Aとし、また、第1反応ガス流路を酸化剤ガス流路9とし、第2反応ガス流路を燃料ガス流路8としてもよい。   The fuel cell 50 configured in this manner may be used as a single cell (cell), or a plurality of fuel cells 50 may be stacked and used as the fuel cell stack 100. In the first embodiment, the first separator is the anode separator 6A, the second separator is the cathode separator 6B, the first reaction gas channel is the fuel gas channel 8, and the second reaction gas channel is However, the present invention is not limited to this, and the first separator is the cathode separator 6B, the second separator is the anode separator 6A, and the first reaction gas channel is the oxidant gas channel 9. The second reaction gas channel may be the fuel gas channel 8.

[反応ガス流路及びセパレータの構成]
次に、カソードガス拡散層3Bに設けられた酸化剤ガス流路9、カソードセパレータ6B、及びアノードセパレータ6Aについて、図2乃至図6を参照しながら詳細に説明する。
[Configuration of reaction gas flow path and separator]
Next, the oxidant gas flow path 9, the cathode separator 6B, and the anode separator 6A provided in the cathode gas diffusion layer 3B will be described in detail with reference to FIGS.

図3は、図2に示す燃料電池50のカソードガス拡散層3Bの概略構成を示す模式図である。また、図4は、図2に示す燃料電池50のカソードセパレータ6Bの概略構成を示す模式図である。さらに、図5は、図2に示す燃料電池50のカソードセパレータ6Bにカソードガス拡散層3Bを重ねて、カソードセパレータ6Bの厚み方向から透視した模式図である。なお、図3において、カソードガス拡散層3Bにおける上下方向を図における上下方向として表し、図4及び図5において、カソードセパレータ6Bにおける上下方向を図における上下方向として表している。また、図5においては、酸化剤ガス流路9を仮想線(二点差線)で示している。   FIG. 3 is a schematic diagram showing a schematic configuration of the cathode gas diffusion layer 3B of the fuel cell 50 shown in FIG. FIG. 4 is a schematic diagram showing a schematic configuration of the cathode separator 6B of the fuel cell 50 shown in FIG. FIG. 5 is a schematic view of the cathode separator 6B of the fuel cell 50 shown in FIG. 2 overlapped with the cathode gas diffusion layer 3B and seen through from the thickness direction of the cathode separator 6B. In FIG. 3, the vertical direction in the cathode gas diffusion layer 3B is represented as the vertical direction in the drawing, and in FIGS. 4 and 5, the vertical direction in the cathode separator 6B is represented as the vertical direction in the drawing. Moreover, in FIG. 5, the oxidant gas flow path 9 is shown with the virtual line (two-point difference line).

まず、カソードガス拡散層3Bに設けられた酸化剤ガス流路9及びカソードセパレータ6Bの構成について、図2乃至図5を参照しながら詳細に説明する。   First, the configuration of the oxidant gas flow path 9 and the cathode separator 6B provided in the cathode gas diffusion layer 3B will be described in detail with reference to FIGS.

図3に示すように、カソードガス拡散層3Bの主面には、カソードガス拡散層3Bの厚み方向から見て、複数の酸化剤ガス流路9が、全体として直線状に形成されている。酸化剤ガス流路9は、上流連通部9a、メインガス流路部9b、及び下流連通部9cを有している。上流連通部9aは、その上流端が上流サブガス流路91と連通し(図5参照)、その下流端が、メインガス流路部9bの上流端と連通するように形成されている。メインガス流路部9bは、上下方向に直線状に延びるように形成されていて、その下流端は、下流連通部9cの上流端と連通するように形成されている。下流連通部9cの下流端は、下流サブガス流路92と連通するように形成されている(図5参照)。また、酸化剤ガス流路9のメインガス流路部9bとメインガス流路部9bとの間の部分が、第2リブ部12を形成する。なお、本実施の形態においては、メインガス流路部9bに、上下方向に直線状に延びるように、縞部12aが設けられており、該縞部12aも第2リブ部12を構成する。   As shown in FIG. 3, a plurality of oxidant gas flow paths 9 are formed in a straight line on the main surface of the cathode gas diffusion layer 3B as viewed from the thickness direction of the cathode gas diffusion layer 3B. The oxidant gas flow path 9 has an upstream communication part 9a, a main gas flow path part 9b, and a downstream communication part 9c. The upstream communication portion 9a is formed such that its upstream end communicates with the upstream sub-gas flow channel 91 (see FIG. 5) and its downstream end communicates with the upstream end of the main gas flow channel portion 9b. The main gas flow path portion 9b is formed to extend linearly in the vertical direction, and its downstream end is formed to communicate with the upstream end of the downstream communication portion 9c. The downstream end of the downstream communication portion 9c is formed so as to communicate with the downstream sub-gas channel 92 (see FIG. 5). Further, the portion of the oxidant gas flow channel 9 between the main gas flow channel portion 9 b and the main gas flow channel portion 9 b forms the second rib portion 12. In the present embodiment, the main gas flow path portion 9b is provided with the stripe portion 12a so as to extend linearly in the vertical direction, and the stripe portion 12a also constitutes the second rib portion 12.

そして、酸化剤ガス流路9は、複数の直線状の第2リブ部12が並走するように形成されている。ここで、並走するとは、互いに並んで設けられていることをいい、複数の第2リブ部12のうち、1の第2リブ部12を特定し、該特定した第2リブ部12に沿って、他の第2リブ部12が形成されていることをいう。そして、「酸化剤ガス流路9が、複数の直線状の第2リブ部12が並走するように形成されている」とは、複数の酸化剤ガス流路が、その上流端から下流端に向かって、全体として、それぞれの流路を通流する酸化剤ガスの流れる方向が一致するように、複数の酸化剤ガス流路が設けられていることをいう。従って、複数の酸化剤ガス流路が、その上流端から下流端まで完全に並んで設けられている必要がなく、複数の酸化剤ガス流路が、互いに並んで設けられていない部分を有していてもよい。   The oxidant gas flow path 9 is formed so that a plurality of linear second rib portions 12 run in parallel. Here, the term “parallel running” means that they are provided side by side. Among the plurality of second rib portions 12, one second rib portion 12 is specified and along the specified second rib portion 12. This means that another second rib portion 12 is formed. And, “the oxidant gas flow path 9 is formed so that the plurality of linear second rib portions 12 run in parallel” means that the plurality of oxidant gas flow paths are from the upstream end to the downstream end. As a whole, it means that a plurality of oxidant gas flow paths are provided so that the flow directions of the oxidant gas flowing through the respective flow paths coincide with each other. Therefore, it is not necessary that the plurality of oxidant gas flow paths be provided in complete alignment from the upstream end to the downstream end, and the plurality of oxidant gas flow paths have portions that are not provided side by side. It may be.

また、図4に示すように、カソードセパレータ6Bは、板状で、略4角形(ここでは、矩形)に形成されており、その周縁部には、燃料ガス供給マニホールド孔31等の各マニホールド孔が、厚み方向に貫通するように設けられている。具体的には、カソードセパレータ6Bにおける一方の側部(以下、第1の側部という)の上部には、冷却媒体供給マニホールド孔35が設けられており、その下部には、燃料ガス排出マニホールド孔32が設けられている。また、カソードセパレータ6Bにおける冷却媒体供給マニホールド孔35の上部の内側には、酸化剤ガス供給マニホールド孔33が設けられている。さらに、カソードセパレータ6Bにおける他方の側部(以下、第2の側部)の上部には、燃料ガス供給マニホールド孔31が設けられており、その下部には、冷却媒体排出マニホールド孔36が設けられている。また、カソードセパレータ6Bにおける冷却媒体排出マニホールド孔36の下部の内側には、酸化剤ガス排出マニホールド孔34が設けられている。   Further, as shown in FIG. 4, the cathode separator 6B is plate-shaped and is formed in a substantially quadrangular shape (here, rectangular), and each manifold hole such as the fuel gas supply manifold hole 31 is formed in the peripheral portion thereof. However, it is provided so as to penetrate in the thickness direction. Specifically, a cooling medium supply manifold hole 35 is provided in an upper portion of one side portion (hereinafter referred to as a first side portion) of the cathode separator 6B, and a fuel gas discharge manifold hole is provided in the lower portion thereof. 32 is provided. Further, an oxidant gas supply manifold hole 33 is provided inside the upper part of the cooling medium supply manifold hole 35 in the cathode separator 6B. Further, a fuel gas supply manifold hole 31 is provided in the upper part of the other side part (hereinafter referred to as the second side part) of the cathode separator 6B, and a cooling medium discharge manifold hole 36 is provided in the lower part thereof. ing. An oxidant gas discharge manifold hole 34 is provided inside the lower portion of the cooling medium discharge manifold hole 36 in the cathode separator 6B.

そして、図4及び図5に示すように、カソードセパレータ6Bの内面には、酸化剤ガス流路9と連通するように、溝状の上流サブガス流路91と溝状の下流サブガス流路92が設けられている。上流サブガス流路91は、その上流端が、酸化剤ガス供給マニホールド孔33に接続されていて、その下流端は、酸化剤ガス流路9(の上流端側)に連通されている。下流サブガス流路92は、その上流端が、酸化剤ガス流路9(の下流端側)に連通されていて、その下流端は、酸化剤ガス排出マニホールド孔34に接続されている。   As shown in FIGS. 4 and 5, a groove-shaped upstream sub-gas flow channel 91 and a groove-shaped downstream sub-gas flow channel 92 are formed on the inner surface of the cathode separator 6B so as to communicate with the oxidant gas flow channel 9. Is provided. The upstream sub-gas channel 91 has an upstream end connected to the oxidant gas supply manifold hole 33 and a downstream end connected to the oxidant gas channel 9 (on the upstream end side). The downstream sub-gas channel 92 has an upstream end communicating with the oxidant gas channel 9 (on the downstream end side), and a downstream end connected to the oxidant gas discharge manifold hole 34.

また、図2及び図4に示すように、カソードセパレータ6Bは、その中央部が平坦になるように形成されている。ここで、カソードセパレータ6Bの中央部とは、カソードセパレータ6Bの厚み方向から見て、カソードセパレータ6Bの他方の主面(カソードセパレータ6Bのカソード電極4Bと接触する一方の主面と反対側の主面)の中央部分をいう。より詳しくは、カソードセパレータ6Bの中央部とは、カソードセパレータ6Bの厚み方向から見て、カソードセパレータ6Bの他方の主面におけるカソード電極4Bと重なる部分の少なくとも一部をいい、本実施の形態1においては、カソードセパレータ6Bの厚み方向から見て、カソード電極4Bと重なる部分のうち、上流サブガス流路91と下流サブガス流路92以外の部分をいう。また、平坦とは、カソードセパレータ6Bの面方向において、巨視的に見て、凹凸が形成されていない形状をいい、例えば、プレス機や切削機で反応ガス流路や冷却媒体流路となるような凹凸を形成されていない形状をいう。換言すると、カソードセパレータ6Bの中央部が全体として平坦になるように形成されているとは、カソードセパレータ6Bを構成する金属板の中央部が、全体として、平らな状態であればよく、燃料電池50を積層して締結する際に、その締結圧により修正することができる程度の反りや撓みを有していてもよいことをいう。なお、本発明の作用効果を奏する範囲内で、カソードセパレータ6Bの中央部の一部が、平坦でないように形成されていてもよい。   As shown in FIGS. 2 and 4, the cathode separator 6 </ b> B is formed so that the central portion thereof is flat. Here, the central portion of the cathode separator 6B refers to the other main surface of the cathode separator 6B as viewed from the thickness direction of the cathode separator 6B. The center part of the surface. More specifically, the central portion of the cathode separator 6B refers to at least a part of a portion that overlaps the cathode electrode 4B on the other main surface of the cathode separator 6B when viewed from the thickness direction of the cathode separator 6B. In FIG. 5, the portion other than the upstream sub-gas passage 91 and the downstream sub-gas passage 92 among the portions overlapping with the cathode electrode 4B when viewed from the thickness direction of the cathode separator 6B. In addition, the term “flat” refers to a shape in which the projections and depressions are not formed macroscopically in the surface direction of the cathode separator 6B. For example, the reaction gas channel or the cooling medium channel is formed by a press or a cutting machine. This refers to a shape in which no irregularities are formed. In other words, the central portion of the cathode separator 6B is formed so as to be flat as a whole, as long as the central portion of the metal plate constituting the cathode separator 6B is flat as a whole. When the 50 is laminated and fastened, it means that it may have a warp or a deflection that can be corrected by the fastening pressure. It should be noted that a part of the central portion of the cathode separator 6B may be formed so as not to be flat as long as the effects of the present invention are achieved.

なお、本実施の形態においては、酸化剤ガス流路9のメインガス流路部9bに、1つの縞部12aを設ける構成としたが、これに限定されず、縞部12aを設けない形態を採用してもよく、複数の縞部12aを設ける形態を採用してもよい。   In the present embodiment, the main gas flow path portion 9b of the oxidant gas flow path 9 is provided with one stripe portion 12a. However, the present invention is not limited to this, and a form in which the stripe portion 12a is not provided is provided. You may employ | adopt and the form which provides the some stripe part 12a may be employ | adopted.

次に、アノードセパレータ6Aの構成について、図2及び図6を参照しながら詳細に説明する。   Next, the configuration of the anode separator 6A will be described in detail with reference to FIGS.

図6は、図2に示す燃料電池100のアノードセパレータ6Aの概略構成を示す模式図である。なお、図6において、アノードセパレータ6Aにおける上下方向を図における上下方向として表している。   FIG. 6 is a schematic diagram showing a schematic configuration of the anode separator 6A of the fuel cell 100 shown in FIG. In FIG. 6, the vertical direction in the anode separator 6A is shown as the vertical direction in the figure.

図2に示すように、アノードセパレータ6Aは、その周縁部を除いて、断面形状が、コルゲート状(波状)に形成されていて、アノードセパレータ6Aの内面における凹部が燃料ガス流路8を構成し、その外面における凹部が冷却媒体流路10を構成する。   As shown in FIG. 2, the anode separator 6 </ b> A is formed in a corrugated shape (wave shape) except for the peripheral portion thereof, and the concave portion on the inner surface of the anode separator 6 </ b> A constitutes the fuel gas flow path 8. The concave portion on the outer surface constitutes the cooling medium flow path 10.

また、図6に示すように、アノードセパレータ6Aは、板状で、略4角形(ここでは、矩形)に形成されており、その周縁部には、燃料ガス供給マニホールド孔31等の各マニホールド孔が、厚み方向に貫通するように設けられている。なお、各マニホールド孔の配置は、カソードセパレータ6Bと同じなので、その詳細な説明は省略する。   Further, as shown in FIG. 6, the anode separator 6A is plate-shaped and is formed into a substantially quadrangular shape (here, a rectangle), and each manifold hole such as the fuel gas supply manifold hole 31 is formed at the periphery thereof. However, it is provided so as to penetrate in the thickness direction. Since the arrangement of the manifold holes is the same as that of the cathode separator 6B, a detailed description thereof is omitted.

アノードセパレータ6Aの内面には、溝状の燃料ガス流路8が、アノードセパレータ6Aの厚み方向から見て、全体として直線状に形成されている。そして、燃料ガス流路8と酸化剤ガス流路9は、いわゆる並行流となるように構成されている。ここで、並行流とは、燃料ガス流路8と酸化剤ガス流路9は、一部に酸化剤ガスと燃料ガスが互いに対向するように流れる部分を有するが、燃料電池100の厚み方向から見て、巨視的に(全体として)酸化剤ガスと燃料ガスの上流から下流への全体的な流れの方向が互いに一致するように構成されていることをいう。   On the inner surface of the anode separator 6A, a groove-like fuel gas flow path 8 is formed linearly as a whole as viewed from the thickness direction of the anode separator 6A. The fuel gas channel 8 and the oxidant gas channel 9 are configured to be a so-called parallel flow. Here, the parallel flow means that the fuel gas flow path 8 and the oxidant gas flow path 9 have a part in which the oxidant gas and the fuel gas flow so as to face each other, but from the thickness direction of the fuel cell 100. Seen, it means that the directions of the overall flow of the oxidant gas and the fuel gas from the upstream side to the downstream side are aligned with each other macroscopically (as a whole).

燃料ガス流路8は、上流サブガス流路81と、下流サブガス流路83と、上流サブガス流路81と下流サブガス流路83を連通するメインガス流路82と、を有している。上流サブガス流路81の上流端は、燃料ガス供給マニホールド孔31に接続され、燃料ガス流路8の上流端を構成する。また、上流サブガス流路81の下流端は、メインガス流路82の上流端と連通している。メインガス流路82は、上下方向に直線状に延びるように形成されていて、その下流端は、下流サブガス流路83の上流端と連通している。また、下流サブガス流路83の下流端は、燃料ガス排出マニホールド孔32に接続され、燃料ガス流路8の下流端を構成する。また、燃料ガス流路8のメインガス流路82とメインガス流路82との間の部分が、第1リブ部11を形成する。なお、本実施の形態においては、メインガス流路82に、上下方向に直線状に延びるように、縞部11aが設けられており、該縞部11aも第1リブ部11を構成する。   The fuel gas flow path 8 includes an upstream sub gas flow path 81, a downstream sub gas flow path 83, and a main gas flow path 82 that connects the upstream sub gas flow path 81 and the downstream sub gas flow path 83. The upstream end of the upstream sub gas flow path 81 is connected to the fuel gas supply manifold hole 31 to constitute the upstream end of the fuel gas flow path 8. In addition, the downstream end of the upstream sub-gas channel 81 communicates with the upstream end of the main gas channel 82. The main gas channel 82 is formed to extend linearly in the vertical direction, and the downstream end thereof communicates with the upstream end of the downstream sub gas channel 83. Further, the downstream end of the downstream sub-gas passage 83 is connected to the fuel gas discharge manifold hole 32 and constitutes the downstream end of the fuel gas passage 8. A portion of the fuel gas channel 8 between the main gas channel 82 and the main gas channel 82 forms the first rib portion 11. In the present embodiment, the main gas channel 82 is provided with a stripe portion 11a so as to extend linearly in the vertical direction, and the stripe portion 11a also constitutes the first rib portion 11.

そして、燃料ガス流路8は、複数の直線状の第1リブ部11が並走するように形成されている。ここで、並走するとは、互いに並んで設けられていることをいい、複数の第1リブ部11のうち、1の第1リブ部11を特定し、該特定した第1リブ部11に沿って、他の第1リブ部11が形成されていることをいう。そして、「燃料ガス流路8が、複数の直線状の第1リブ部11が並走するように形成されている」とは、燃料ガス流路を構成する複数の連通ガス流路が、その上流端から下流端に向かって、全体として、該連通ガス流路を通流する燃料ガスの流れる方向が一致するように設けられていることをいう。従って、複数の連通ガス流路が、その上流端から下流端まで完全に並んで設けられている必要がなく、複数の連通ガス流路が、互いに並んで設けられていない部分を有していてもよい。なお、本実施の形態1においては、第1リブ部11と第2リブ部12は、カソードセパレータ6Bの厚み方向から見て、並走するように形成されている。   And the fuel gas flow path 8 is formed so that the several linear 1st rib part 11 may run in parallel. Here, the term “parallel running” means that they are provided side by side, one of the plurality of first rib portions 11 is identified with one first rib portion 11, and along the identified first rib portion 11. This means that the other first rib portion 11 is formed. And "the fuel gas flow path 8 is formed so that the plurality of linear first rib portions 11 run in parallel" means that the plurality of communication gas flow paths constituting the fuel gas flow path are It means that the flow direction of the fuel gas flowing through the communication gas flow path is generally matched from the upstream end toward the downstream end. Therefore, it is not necessary that the plurality of communication gas flow paths be provided in complete alignment from the upstream end to the downstream end, and the plurality of communication gas flow paths have portions that are not provided side by side. Also good. In the first embodiment, the first rib portion 11 and the second rib portion 12 are formed to run side by side when viewed from the thickness direction of the cathode separator 6B.

そして、このように構成された燃料電池50を積層して、セル積層体70を構成し、端板61及び端板62でセル積層体70を挟んで締結することで、燃料電池スタック100を製造することができる。このとき、本実施の形態1に係る燃料電池50及びそれを備える燃料電池スタック100では、カソードセパレータ6Bの中央部が全体として平坦になるように形成されているので、アノードセパレータ6Aやカソードガス拡散層3Bとの接触面を確実に確保することができ、安定した電池性能を確保することができる。また、本実施の形態1に係る燃料電池50及びそれを備える燃料電池スタック100では、燃料電池スタック100を締結するときに、カソードガス拡散層3B、アノードセパレータ6A、及びカソードセパレータ6Bの位置ずれすることにより、カソードセパレータ6Bとアノードセパレータ6Aとの接触面積やカソードセパレータ6Bとカソードガス拡散層3Bとの接触面積の減少を抑制することができ、また、局所荷重による構成部材が変形し、それによる反応ガスや冷却媒体の分配性悪化等の供給障害を抑制することができる。   Then, the fuel cells 50 configured as described above are stacked to form a cell stack 70, and the fuel cell stack 100 is manufactured by sandwiching the cell stack 70 between the end plate 61 and the end plate 62. can do. At this time, in the fuel cell 50 according to the first embodiment and the fuel cell stack 100 including the fuel cell 50, the central portion of the cathode separator 6B is formed so as to be flat as a whole. A contact surface with the layer 3B can be reliably ensured, and stable battery performance can be ensured. Further, in the fuel cell 50 according to the first embodiment and the fuel cell stack 100 including the same, when the fuel cell stack 100 is fastened, the cathode gas diffusion layer 3B, the anode separator 6A, and the cathode separator 6B are displaced. As a result, it is possible to suppress a reduction in the contact area between the cathode separator 6B and the anode separator 6A and the contact area between the cathode separator 6B and the cathode gas diffusion layer 3B. It is possible to suppress supply failure such as deterioration of the distribution of the reaction gas and the cooling medium.

次に、本実施の形態1に係る燃料電池50及びそれを備える燃料電池スタック100の変形例について説明する。   Next, modifications of the fuel cell 50 according to the first embodiment and the fuel cell stack 100 including the fuel cell 50 will be described.

[変形例1]
図7は、本実施の形態1に係る高分子電解質形燃料電池の変形例1における高分子電解質形燃料電池のカソードガス拡散層の概略構成を示す模式図である。また、図8は、本変形例1の高分子電解質形燃料電池のカソードセパレータの概略構成を示す模式図である。さらに、図9は、図8に示すカソードセパレータに、図7に示すカソードガス拡散層を重ねて、カソードセパレータの厚み方向から透視した模式図である。なお、図7において、カソードガス拡散層における上下方向を図における上下方向として表し、図8及び図9において、カソードセパレータにおける上下方向を図における上下方向として表している。また、図9においては、酸化剤ガス流路9を一点差線で示し、上流サブガス流路と下流サブガス流路のうち、カソード電極と重なる部分を仮想線(二点差線)で示している。
[Modification 1]
FIG. 7 is a schematic diagram showing a schematic configuration of the cathode gas diffusion layer of the polymer electrolyte fuel cell in Modification 1 of the polymer electrolyte fuel cell according to the first embodiment. FIG. 8 is a schematic diagram showing a schematic configuration of the cathode separator of the polymer electrolyte fuel cell of Modification 1. Further, FIG. 9 is a schematic view seen from the thickness direction of the cathode separator by superposing the cathode gas diffusion layer shown in FIG. 7 on the cathode separator shown in FIG. In FIG. 7, the vertical direction in the cathode gas diffusion layer is represented as the vertical direction in the figure, and in FIGS. 8 and 9, the vertical direction in the cathode separator is represented as the vertical direction in the figure. In FIG. 9, the oxidant gas flow path 9 is indicated by a one-point difference line, and a portion of the upstream sub-gas flow path and the downstream sub-gas flow path that overlaps the cathode electrode is indicated by a virtual line (two-point difference line).

図7乃至図9に示すように、本変形例1の高分子電解質形燃料電池(以下、燃料電池)50では、カソードガス拡散層3Bに形成された酸化剤ガス流路9の形状と、カソードセパレータ6Bに形成された上流サブガス流路91及び下流サブガス流路92の形状と、が、実施の形態1に係る燃料電池50と異なる。   As shown in FIGS. 7 to 9, in the polymer electrolyte fuel cell (hereinafter referred to as fuel cell) 50 according to the first modification, the shape of the oxidant gas passage 9 formed in the cathode gas diffusion layer 3B, the cathode The shapes of the upstream sub-gas channel 91 and the downstream sub-gas channel 92 formed in the separator 6B are different from those of the fuel cell 50 according to the first embodiment.

具体的には、図7に示すように、酸化剤ガス流路9は上下方向に直線状に延びるように形成されている。また、複数の酸化剤ガス流路9の間の部分が、第2リブ部12を構成する。   Specifically, as shown in FIG. 7, the oxidant gas flow path 9 is formed so as to extend linearly in the vertical direction. Further, the portion between the plurality of oxidant gas flow paths 9 constitutes the second rib portion 12.

また、図8に示すように、上流サブガス流路91は、クランク状に形成された上流連通部91aとU字状に形成された分流部91bとを有している。上流連通部91aの上流端は、酸化剤ガス供給マニホールド孔33に接続されていて、上流サブガス流路91の上流端を構成する。また、上流連通部91aの下流端は、分流部91bの上流端に接続されている。分流部91bの下流部は、カソードセパレータ6Bの厚み方向から見て、酸化剤ガス流路9の上流部と重なるように形成されている(図9参照)。これにより、上流サブガス流路91を通流した酸化剤ガスが酸化剤ガス流路9に供給される。   As shown in FIG. 8, the upstream sub-gas channel 91 has an upstream communication portion 91a formed in a crank shape and a flow dividing portion 91b formed in a U shape. The upstream end of the upstream communication portion 91 a is connected to the oxidant gas supply manifold hole 33 and constitutes the upstream end of the upstream sub-gas passage 91. Further, the downstream end of the upstream communication portion 91a is connected to the upstream end of the flow dividing portion 91b. The downstream part of the diversion part 91b is formed so as to overlap with the upstream part of the oxidant gas flow path 9 when viewed from the thickness direction of the cathode separator 6B (see FIG. 9). As a result, the oxidant gas that has flowed through the upstream sub-gas channel 91 is supplied to the oxidant gas channel 9.

下流サブガス流路92は、クランク状に形成された下流連通部92aとU字状に形成された分流部92bとを有している。分流部92bの上流部は、カソードセパレータ6Bの厚み方向から見て、酸化剤ガス流路9の下流部と重なるように形成されている(図9参照)。下流連通部92aの上流端は、分流部92bの下流端に接続されている。また、下流連通部92aの下流端は、酸化剤ガス排出マニホールド孔34に接続されていて、下流サブガス流路92の下流端を構成する。   The downstream sub gas flow path 92 has a downstream communication portion 92a formed in a crank shape and a flow dividing portion 92b formed in a U shape. The upstream part of the diversion part 92b is formed so as to overlap with the downstream part of the oxidant gas flow path 9 when viewed from the thickness direction of the cathode separator 6B (see FIG. 9). The upstream end of the downstream communication portion 92a is connected to the downstream end of the flow dividing portion 92b. Further, the downstream end of the downstream communication portion 92 a is connected to the oxidant gas discharge manifold hole 34 and constitutes the downstream end of the downstream sub gas flow path 92.

このように構成された、本変形例1の燃料電池50及びそれを備える燃料電池スタック100であっても、実施の形態1に係る燃料電池50及び燃料電池スタック100と同様の作用効果を奏する。   Even the fuel cell 50 and the fuel cell stack 100 including the fuel cell 50 according to the first modification configured as described above have the same effects as the fuel cell 50 and the fuel cell stack 100 according to the first embodiment.

(実施の形態2)
本発明の実施の形態2に係る高分子電解質形燃料電池及びそれを備える燃料電池スタックは、膜補強部材を備えている態様を例示するものである。
(Embodiment 2)
The polymer electrolyte fuel cell and the fuel cell stack including the same according to the second embodiment of the present invention illustrate an aspect in which a membrane reinforcing member is provided.

[燃料電池スタックの構成]
図10は、本発明の実施の形態2に係る燃料電池スタックにおけるセル積層体の概略構成を模式的に示す断面図である。なお、図10においては、セル積層体を構成する高分子電解質燃料電池の一部を展開している。
[Configuration of fuel cell stack]
FIG. 10 is a cross-sectional view schematically showing a schematic configuration of the cell stack in the fuel cell stack according to Embodiment 2 of the present invention. In FIG. 10, a part of the polymer electrolyte fuel cell constituting the cell stack is developed.

図10に示すように、本発明の実施の形態2に係る燃料電池スタック100(高分子電解質形燃料電池50(以下、燃料電池50))は、実施の形態1に係る燃料電池スタック100(燃料電池50)と基本的構成は同じであるが、高分子電解質膜1の周縁部に配置された膜補強部材13A、13Bを備えている点と、膜補強部材13Bに上流サブガス流路91及び下流サブガス流路92が形成されている点(図11参照)と、が異なる。また、本実施の形態2に係る燃料電池スタック100(燃料電池50)は、カソードセパレータ6B及びガスケット7A、7Bの形状が実施の形態1に係る燃料電池スタック100(燃料電池50)と異なる。なお、ガスケット7A、7Bは、例えば、特開2006−310288号公報に記載されているような連環状(複数のOリングを連結した形状)に形成されたガスケットを使用してもよく、その詳細な説明は省略する。   As shown in FIG. 10, the fuel cell stack 100 (polymer electrolyte fuel cell 50 (hereinafter referred to as fuel cell 50)) according to the second embodiment of the present invention is the same as the fuel cell stack 100 (fuel) according to the first embodiment. The basic structure is the same as that of the battery 50), except that the membrane reinforcing members 13A and 13B are provided at the peripheral edge of the polymer electrolyte membrane 1, and that the upstream sub-gas channel 91 and the downstream are provided in the membrane reinforcing member 13B. The difference is that the sub-gas channel 92 is formed (see FIG. 11). The fuel cell stack 100 (fuel cell 50) according to the second embodiment is different from the fuel cell stack 100 (fuel cell 50) according to the first embodiment in the shapes of the cathode separator 6B and the gaskets 7A and 7B. As the gaskets 7A and 7B, for example, a gasket formed in a continuous ring shape (a shape in which a plurality of O-rings are connected) as described in JP-A-2006-310288 may be used. The detailed explanation is omitted.

具体的には、高分子電解質膜1の一方の主面(アノード電極4Aが配置されている主面)には、膜補強部材13Aが配置されている。また、高分子電解質膜1の他方の主面(カソード電極4Bが配置されている主面)には、膜補強部材13Bが配置されている。ここで、図11及び図12を参照しながら、膜補強部材13Bの形状について詳細に説明する。なお、膜補強部材13Aの形状は、上流サブガス流路91及び下流サブガス流路92が形成されていない点以外は、膜補強部材13Bの形状と基本的には同じであるため、その詳細な説明は省略する。   Specifically, the membrane reinforcing member 13A is disposed on one main surface of the polymer electrolyte membrane 1 (main surface on which the anode electrode 4A is disposed). A membrane reinforcing member 13B is disposed on the other main surface of the polymer electrolyte membrane 1 (main surface on which the cathode electrode 4B is disposed). Here, the shape of the membrane reinforcing member 13B will be described in detail with reference to FIGS. The shape of the membrane reinforcing member 13A is basically the same as the shape of the membrane reinforcing member 13B except that the upstream subgas channel 91 and the downstream subgas channel 92 are not formed. Is omitted.

図11は、図10に示す燃料電池50における膜補強部材13Bの概略構成を示す模式図である。また、図12は、図11に示す膜補強部材13Bに図3に示すカソードガス拡散層3Bを重ねた模式図である。なお、図11及び図12においては、膜補強部材13Bにおける上下方向を図における上下方向として表している。   FIG. 11 is a schematic diagram showing a schematic configuration of the membrane reinforcing member 13B in the fuel cell 50 shown in FIG. 12 is a schematic view in which the cathode gas diffusion layer 3B shown in FIG. 3 is overlaid on the membrane reinforcing member 13B shown in FIG. 11 and 12, the vertical direction of the membrane reinforcing member 13B is shown as the vertical direction in the drawings.

図11及び図12に示すように、膜補強部材13Bは、高分子電解質膜1と相似の矩形に形成されており、その外周面は高分子電解質膜1の外周面と面一になるように形成されている(図10参照)。また、膜補強部材13Bの主面には、開口14が設けられている。開口14は、カソードガス拡散層3Bの主面と同じ大きさに(または、それよりも若干大きく)形成されている(図10参照)。すなわち、膜補強部材13Bは、環状に形成されている。   As shown in FIGS. 11 and 12, the membrane reinforcing member 13 </ b> B is formed in a rectangular shape similar to the polymer electrolyte membrane 1, and the outer peripheral surface thereof is flush with the outer peripheral surface of the polymer electrolyte membrane 1. It is formed (see FIG. 10). An opening 14 is provided in the main surface of the membrane reinforcing member 13B. The opening 14 is formed in the same size (or slightly larger than that) as the main surface of the cathode gas diffusion layer 3B (see FIG. 10). That is, the membrane reinforcing member 13B is formed in an annular shape.

また、膜補強部材13Bの主面には、燃料ガス供給マニホールド孔31等の各マニホールド孔が設けられている。なお、燃料ガス供給マニホールド孔31等の各マニホールド孔の位置は、カソードセパレータ6Bに設けられた燃料ガス供給マニホールド孔31等の各マニホールド孔と同じであるため、その詳細な説明は省略する。   In addition, manifold holes such as the fuel gas supply manifold hole 31 are provided on the main surface of the membrane reinforcing member 13B. The position of each manifold hole such as the fuel gas supply manifold hole 31 is the same as that of each manifold hole such as the fuel gas supply manifold hole 31 provided in the cathode separator 6B, and thus detailed description thereof is omitted.

さらに、膜補強部材13Bのカソードセパレータ6Bと接触する一方の主面には、上流サブガス流路91及び下流サブガス流路92が形成されている。上流サブガス流路91の上流端は、酸化剤ガス供給マニホールド孔33に接続されている。また、上流サブガス流路91の下流端は、開口14に接続されていて、図12に示すように、酸化剤ガス流路9の上流連通部9a(酸化剤ガス流路9の上流端)に連通するように形成されている。一方、下流サブガス流路92の上流端は、開口14に接続されていて、図12に示すように、下流連通部9c(酸化剤ガス流路9の下流端)に連通するように形成されている。また、下流サブガス流路92の下流端は、酸化剤ガス排出マニホールド孔34に接続されている。   Further, an upstream sub-gas channel 91 and a downstream sub-gas channel 92 are formed on one main surface of the membrane reinforcing member 13B that contacts the cathode separator 6B. The upstream end of the upstream sub-gas passage 91 is connected to the oxidant gas supply manifold hole 33. Further, the downstream end of the upstream sub-gas channel 91 is connected to the opening 14 and, as shown in FIG. 12, the upstream communication portion 9a of the oxidant gas channel 9 (upstream end of the oxidant gas channel 9). It is formed so as to communicate. On the other hand, the upstream end of the downstream sub-gas channel 92 is connected to the opening 14 and is formed to communicate with the downstream communication portion 9c (downstream end of the oxidizing gas channel 9) as shown in FIG. Yes. Further, the downstream end of the downstream sub-gas channel 92 is connected to the oxidant gas discharge manifold hole 34.

次に、図13を参照しながら、カソードセパレータ6Bの形状について説明する。   Next, the shape of the cathode separator 6B will be described with reference to FIG.

図13は、図10に示す燃料電池50におけるカソードセパレータ6Bの概略構成を示す模式図である。なお、図13では、カソードセパレータ6Bにおける上下方向を図における上下方向として表している。   FIG. 13 is a schematic diagram showing a schematic configuration of the cathode separator 6B in the fuel cell 50 shown in FIG. In FIG. 13, the vertical direction of the cathode separator 6B is represented as the vertical direction in the figure.

図13に示すように、本実施の形態2に係る燃料電池スタック100(燃料電池50)では、カソードセパレータ6Bの中央部である、カソードセパレータ6Bの厚み方向から見て、カソードセパレータ6Bの他方の主面におけるカソード電極4Bと重なる部分が、平坦になるように形成されている。   As shown in FIG. 13, in the fuel cell stack 100 (fuel cell 50) according to the second embodiment, the other side of the cathode separator 6B as viewed from the thickness direction of the cathode separator 6B, which is the central portion of the cathode separator 6B. A portion overlapping the cathode electrode 4B on the main surface is formed to be flat.

このように構成された本実施の形態2に係る燃料電池スタック100(燃料電池50)であっても、実施の形態1に係る燃料電池スタック100(燃料電池50)と同様の作用効果を奏する。   Even the fuel cell stack 100 (fuel cell 50) according to the second embodiment configured as described above has the same effects as the fuel cell stack 100 (fuel cell 50) according to the first embodiment.

なお、本実施の形態2においては、膜補強部材13Bの一方の主面に、上流サブガス流路91及び下流サブガス流路92の両方を形成する形態を採用したが、これに限定されず、例えば、膜補強部材13Bの一方の主面に、上流サブガス流路91を形成し、カソードセパレータ6Bの内面に、下流サブガス流路92を形成する形態を採用してもよい。また、例えば、膜補強部材13Bの一方の主面に、下流サブガス流路92を形成し、カソードセパレータ6Bの内面に、上流サブガス流路91を形成する形態を採用してもよい。すなわち、膜補強部材13Bの一方の主面に、上流サブガス流路91及び下流サブガス流路92の少なくとも一方の流路を形成し、カソードセパレータ6Bの内面に、上流サブガス流路91及び下流サブガス流路92の少なくとも他方の流路を形成する形態を採用してもよい。   In the second embodiment, a form in which both the upstream sub-gas channel 91 and the downstream sub-gas channel 92 are formed on one main surface of the membrane reinforcing member 13B is not limited to this. For example, Alternatively, a form in which the upstream sub-gas channel 91 is formed on one main surface of the membrane reinforcing member 13B and the downstream sub-gas channel 92 is formed on the inner surface of the cathode separator 6B may be adopted. Further, for example, a form in which the downstream sub-gas channel 92 is formed on one main surface of the membrane reinforcing member 13B and the upstream sub-gas channel 91 is formed on the inner surface of the cathode separator 6B may be adopted. That is, at least one of the upstream sub-gas channel 91 and the downstream sub-gas channel 92 is formed on one main surface of the membrane reinforcing member 13B, and the upstream sub-gas channel 91 and the downstream sub-gas flow are formed on the inner surface of the cathode separator 6B. A form in which at least the other flow path of the path 92 is formed may be employed.

そして、カソードセパレータ6Bの内面に、上流サブガス流路91及び下流サブガス流路92の少なくとも他方の流路が形成されている場合には、カソードセパレータ6Bの中央部は、カソードセパレータ6Bの厚み方向から見て、カソードセパレータ6Bの他方の主面におけるカソード電極4Bと重なる部分のうち、上流サブガス流路91及び/又は下流サブガス流路92が形成されている部分以外の部分をいう。   When at least the other of the upstream sub-gas passage 91 and the downstream sub-gas passage 92 is formed on the inner surface of the cathode separator 6B, the central portion of the cathode separator 6B extends from the thickness direction of the cathode separator 6B. As seen, the portion of the other main surface of the cathode separator 6B that overlaps the cathode electrode 4B is a portion other than the portion where the upstream sub-gas passage 91 and / or the downstream sub-gas passage 92 are formed.

また、カソードセパレータ6Bの内面に形成される上流サブガス流路91及び/又は下流サブガス流路92の形状は、酸化剤ガス流路9に連通するように形成されていれば、どの様な形状であってもよく、例えば、実施の形態1で説明したような形状であってもよく、また、変形例1で説明したような形状であってもよい。   Further, the upstream sub-gas channel 91 and / or the downstream sub-gas channel 92 formed on the inner surface of the cathode separator 6B may have any shape as long as it is formed to communicate with the oxidant gas channel 9. For example, the shape described in the first embodiment may be used, or the shape described in the first modification may be used.

なお、上記実施の形態(変形例を含む)においては、燃料ガス流路8及び酸化剤ガス流路9をいわゆるストレート状に形成したが、これに限定されず、燃料ガス流路8は、複数の直線状の第1リブ部11が互いに並走するように形成されていれば、どの様な形状であってもよく、例えば、サーペンタイン状に形成されていてもよい。同様に、酸化剤ガス流路9は、複数の直線状の第2リブ部12が互いに並走するように形成されていれば、どの様な形状であってもよく、例えば、サーペンタイン状に形成されていてもよい。   In the above-described embodiment (including modifications), the fuel gas flow path 8 and the oxidant gas flow path 9 are formed in a so-called straight shape. However, the present invention is not limited to this, and the fuel gas flow path 8 includes a plurality of fuel gas flow paths 8. As long as the linear first rib portions 11 are formed so as to run parallel to each other, any shape may be used, for example, a serpentine shape may be used. Similarly, the oxidant gas flow path 9 may have any shape as long as the plurality of linear second rib portions 12 are formed so as to run in parallel with each other, for example, a serpentine shape. May be.

本発明の高分子電解質形燃料電池及び燃料電池スタックは、燃料電池を締結する際にセパレータの位置がずれても、セパレータの接触面積の低下を抑制し、安定した電池性能を確保することが可能な高分子電解質形燃料電池及び燃料電池スタックとして、燃料電池の分野で有用である。   The polymer electrolyte fuel cell and the fuel cell stack of the present invention can suppress a decrease in the contact area of the separator even when the position of the separator is shifted when fastening the fuel cell, and can ensure stable battery performance. The polymer electrolyte fuel cell and the fuel cell stack are useful in the field of fuel cells.

1 高分子電解質膜
2A アノード触媒層
2B カソード触媒層
3A アノードガス拡散層
3B カソードガス拡散層
4A アノード電極(第1電極)
4B カソード電極(第2電極)
5 MEA(MemBrAne−Electrode−AssemBly:膜電極接合体)
6A アノードセパレータ(第1セパレータ)
6B カソードセパレータ(第2セパレータ)
7A ガスケット
7B ガスケット
7C ガスケット
8 燃料ガス流路(第1反応ガス流路)
9 酸化剤ガス流路(第2反応ガス流路)
9a 上流連通部
9b メインガス流路部
9c 下流連通部
10 冷却媒体流路
11 第1リブ部
11a 縞部(第1リブ部)
12 第2リブ部
12a 縞部(第2リブ部)
31 燃料ガス供給マニホールド孔
32 燃料ガス排出マニホールド孔
33 酸化剤ガス供給マニホールド孔
34 酸化剤ガス排出マニホールド孔
35 冷却媒体供給マニホールド孔
36 冷却媒体排出マニホールド孔
50 燃料電池
61 端板
62 端板
70 セル積層体
81 上流サブガス流路
82 メインガス流路
83 下流サブガス流路
91 上流サブガス流路
92 下流サブガス流路
100 燃料電池スタック
131 燃料ガス供給マニホールド
132 燃料ガス排出マニホールド
133 酸化剤ガス供給マニホールド
134 酸化剤ガス排出マニホールド
135 冷却媒体供給マニホールド
136 冷却媒体排出マニホールド
300 燃料電池
301A 金属セパレータ
301B 金属セパレータ
303A 凸部
303B 凸部
304A 凹部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Polymer electrolyte membrane 2A Anode catalyst layer 2B Cathode catalyst layer 3A Anode gas diffusion layer 3B Cathode gas diffusion layer 4A Anode electrode (1st electrode)
4B Cathode electrode (second electrode)
5 MEA (MemBrAne-Electrode-Assembly: membrane electrode assembly)
6A Anode separator (first separator)
6B Cathode separator (second separator)
7A Gasket 7B Gasket 7C Gasket 8 Fuel gas flow path (first reaction gas flow path)
9 Oxidant gas channel (second reactive gas channel)
9a Upstream communication section 9b Main gas flow path section 9c Downstream communication section 10 Cooling medium flow path 11 First rib section 11a Striped section (first rib section)
12 2nd rib part 12a Stripe part (2nd rib part)
31 Fuel gas supply manifold hole 32 Fuel gas discharge manifold hole 33 Oxidant gas supply manifold hole 34 Oxidant gas discharge manifold hole 35 Coolant supply manifold hole 36 Coolant discharge manifold hole 50 Fuel cell 61 End plate 62 End plate 70 Cell stack Body 81 Upstream sub-gas channel 82 Main gas channel 83 Downstream sub-gas channel 91 Upstream sub-gas channel 92 Downstream sub-gas channel 100 Fuel cell stack 131 Fuel gas supply manifold 132 Fuel gas discharge manifold 133 Oxidant gas supply manifold 134 Oxidant gas Discharge manifold 135 Cooling medium supply manifold 136 Cooling medium discharge manifold 300 Fuel cell 301A Metal separator 301B Metal separator 303A Convex part 303B Convex part 304A Concave part

Claims (12)

高分子電解質膜、並びに、前記高分子電解質膜の一対の主面を挟む第1電極及び第2電極を有する膜電極接合体と、
板状に形成され、前記膜電極接合体の前記第1電極と接触するように配置された導電性の第1セパレータと、
板状に形成され、前記膜電極接合体の前記第2電極と接触するように配置された導電性の第2セパレータと、を備え、
前記第1セパレータの前記第1電極と接触する一方の主面には、溝状の第1反応ガス流路が形成され、
前記第2電極の前記第2セパレータと接触する一方の主面には、溝状の第2反応ガス流路が形成されている、高分子電解質形燃料電池。
A membrane electrode assembly having a polymer electrolyte membrane, and a first electrode and a second electrode sandwiching a pair of main surfaces of the polymer electrolyte membrane;
A conductive first separator formed in a plate shape and disposed so as to be in contact with the first electrode of the membrane electrode assembly;
A conductive second separator formed in a plate shape and disposed so as to be in contact with the second electrode of the membrane electrode assembly,
A groove-shaped first reactive gas flow path is formed on one main surface of the first separator that contacts the first electrode,
A polymer electrolyte fuel cell, wherein a groove-like second reactive gas flow path is formed on one main surface of the second electrode that contacts the second separator.
前記第2セパレータは、その中央部が平坦になるように形成されている、請求項1に記載の高分子電解質形燃料電池。   The polymer electrolyte fuel cell according to claim 1, wherein the second separator is formed so that a central portion thereof is flat. 前記第2セパレータの前記第2電極と接触する主面には、前記第2反応ガス流路の上流端と連通するように第2上流サブガス流路及び前記第2反応ガス流路の下流端と連通するように第2下流サブガス流路が設けられている、請求項1又は2に記載の高分子電解質形燃料電池。   The main surface of the second separator that contacts the second electrode has a second upstream sub-gas channel and a downstream end of the second reactive gas channel so as to communicate with the upstream end of the second reactive gas channel. The polymer electrolyte fuel cell according to claim 1 or 2, wherein a second downstream sub-gas channel is provided so as to communicate with each other. 前記第2セパレータは、該第2セパレータの厚み方向から見て、前記第2電極と接触する主面と反対側の主面における前記第2電極と重なる部分のうち、前記第2上流サブガス流路と前記第2下流サブガス流路以外の部分が、平坦になるように形成されている、請求項3に記載の高分子電解質形燃料電池。   The second separator includes the second upstream sub-gas flow path in a portion overlapping the second electrode on the main surface opposite to the main surface in contact with the second electrode when viewed from the thickness direction of the second separator. 4. The polymer electrolyte fuel cell according to claim 3, wherein portions other than the second downstream sub-gas flow path are formed to be flat. 5. 前記高分子電解質膜の主面の周縁部に配置された環状の膜補強部材を備え、
前記膜補強部材は、前記第2セパレータの前記第2電極と接触する一方の主面(以下、第2セパレータの一方の主面)と接触するように設けられている、請求項1又は2に記載の高分子電解質形燃料電池。
An annular membrane reinforcing member disposed at the peripheral edge of the main surface of the polymer electrolyte membrane;
The said membrane reinforcement member is provided so that it may contact with one main surface (henceforth one main surface of a 2nd separator) which contacts the said 2nd electrode of the said 2nd separator. The polymer electrolyte fuel cell as described.
前記膜補強部材の前記第2セパレータの一方の主面と接触する部分には、前記第2反応ガス流路の上流端と連通するように第2上流サブガス流路と前記第2反応ガス流路の下流端と連通するように第2下流サブガス流路が設けられている、請求項5に記載の高分子電解質形燃料電池。   A portion of the membrane reinforcing member that contacts one main surface of the second separator communicates with an upstream end of the second reactive gas flow channel, and a second upstream sub-gas flow channel and the second reactive gas flow channel. The polymer electrolyte fuel cell according to claim 5, wherein a second downstream sub-gas channel is provided so as to communicate with the downstream end of the fuel cell. 前記膜補強部材の前記第2セパレータの一方の主面と接触する部分には、前記第2反応ガス流路の上流端と連通するように第2上流サブガス流路及び前記第2反応ガス流路の下流端と連通するように第2下流サブガス流路の少なくとも一方の流路が設けられ、
前記第2セパレータの前記第2電極と接触する主面には、前記第2反応ガス流路の上流端と連通するように第2上流サブガス流路及び前記第2反応ガス流路の下流端と連通するように第2下流サブガス流路の少なくとも他方の流路が設けられている、請求項5に記載の高分子電解質形燃料電池。
A portion of the membrane reinforcing member that contacts one main surface of the second separator communicates with an upstream end of the second reactive gas flow channel, and a second upstream sub-gas flow channel and the second reactive gas flow channel. At least one flow path of the second downstream sub-gas flow path is provided so as to communicate with the downstream end of
The main surface of the second separator that contacts the second electrode has a second upstream sub-gas channel and a downstream end of the second reactive gas channel so as to communicate with the upstream end of the second reactive gas channel. The polymer electrolyte fuel cell according to claim 5, wherein at least the other flow path of the second downstream sub-gas flow path is provided so as to communicate with each other.
前記第2セパレータは、該第2セパレータの厚み方向から見て、前記第2電極と接触する主面と反対側の主面における前記第2電極と重なる部分が平坦になるように形成されている、請求項6に記載の高分子電解質形燃料電池。   The second separator is formed so that a portion overlapping the second electrode on the main surface opposite to the main surface in contact with the second electrode is flat when viewed from the thickness direction of the second separator. The polymer electrolyte fuel cell according to claim 6. 前記第1反応ガス流路は、複数の直線状の第1リブ部が並走するように形成されている、請求項1に記載の高分子電解質形燃料電池。   2. The polymer electrolyte fuel cell according to claim 1, wherein the first reaction gas channel is formed such that a plurality of linear first rib portions run in parallel. 前記第1リブ部と前記第2リブ部は、前記第2セパレータの厚み方向から見て、互いに並走するように形成されている、請求項9に記載の高分子電解質形燃料電池。   10. The polymer electrolyte fuel cell according to claim 9, wherein the first rib portion and the second rib portion are formed so as to run in parallel with each other when viewed from the thickness direction of the second separator. 前記第2電極は、ガス拡散層を有し、
該ガス拡散層は、高分子樹脂と導電性粒子を有し、通気性を有するように形成されている、請求項1に記載の高分子電解質形燃料電池。
The second electrode has a gas diffusion layer;
2. The polymer electrolyte fuel cell according to claim 1, wherein the gas diffusion layer has a polymer resin and conductive particles and is formed to have air permeability.
複数の請求項1に記載の高分子電解質形燃料電池が積層して締結されている、燃料電池スタック。


A fuel cell stack in which a plurality of polymer electrolyte fuel cells according to claim 1 are stacked and fastened.


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WO2019198457A1 (en) * 2018-04-10 2019-10-17 パナソニックIpマネジメント株式会社 Fuel battery cell and fuel cell stack

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