CN105594037A - 分隔件及燃料电池 - Google Patents

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CN105594037A CN201480054327.5A CN201480054327A CN105594037A CN 105594037 A CN105594037 A CN 105594037A CN 201480054327 A CN201480054327 A CN 201480054327A CN 105594037 A CN105594037 A CN 105594037A
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Abstract

分隔件具有通过冲压加工而形成的凹凸形状，分隔件的一面构成具有反应气体流路的气体流通面，该反应气体流路包括由凹凸形状形成的多个反应气体流路槽，分隔件的另一面构成包括冷却水流路的冷却面，该冷却水流路包括由凹凸形状形成的多个冷却水流路槽。冷却水流路具备：交叉流路部，包括隔着反应气体流路的反应气体流路槽而相邻的冷却水流路槽和在所述相邻的冷却水流路之间的所述反应气体流路槽的所述冷却面侧形成的连通流路槽，该连通流路槽的深度比冷却水流路槽浅；以及冷却水流路槽的方向发生变化的冷却水转弯部。在冷却水转弯部的背侧的位置，在气体流通面形成有反应气体转弯部，反应气体转弯部由恒定深度的槽部构成。

Description

分隔件及燃料电池
本申请主张基于在2013年10月2日提出申请的申请编号2013-207086的日本专利申请的优先权，并将其公开的全部通过参照而援引于本申请。
技术领域
本发明涉及使用于燃料电池的分隔件及燃料电池。
背景技术
作为使用于燃料电池的分隔件，以往，已知有通过冲压加工而形成凹凸形状，由此在一面上形成槽状的反应气体流路并在另一面上形成槽状的冷却水流路的结构。例如，在专利文献1中公开了在一面上形成槽状的蛇行状流路作为燃料气体(氢)流路并在另一面上形成槽状的直线状流路作为冷却水流路的分隔件。在该分隔件中，在燃料气体流路中流路的方向变化而燃料气体流路的方向与冷却水流路的方向正交的区域的燃料气体流路槽，形成有比其他的槽部浅的浅槽部。这些浅槽部的背侧的冷却水流路侧成为能够供冷却水通过的槽，因此经由该槽，平行的直线状的冷却水流路之间连通，形成正交的冷却水流路。需要说明的是，将燃料气体流路或冷却水流路的方向变化的部位称为“转弯部”。而且，也将比浅槽部深的其他的槽部称为“深槽部”。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：WO2012/160607A
发明内容
发明要解决的课题
在上述分隔件中，由于在冲压加工时在深槽部与浅槽部处材料的伸长率不同、以及用于在转弯部的正交的角部相邻地形成浅槽部和深槽部的模具的加工困难，所以存在如下课题：难以确保冲压加工后的板厚的精度，容易发生破裂或变形等。
用于解决课题的手段
本发明为了解决上述的课题的至少一部分而作出，可以作为以下的方式实现。
(1)本发明的一方式是使用于燃料电池的分隔件。该分隔件具有通过冲压加工而形成的凹凸形状，所述分隔件的一面构成具有反应气体流路的气体流通面，该反应气体流路包括由所述凹凸形状形成的多个反应气体流路槽，所述分隔件的另一面构成包括冷却水流路的冷却面，该冷却水流路包括由所述凹凸形状形成的多个冷却水流路槽。所述冷却水流路具备：交叉流路部，包括隔着所述反应气体流路的反应气体流路槽而相邻的冷却水流路槽和在所述相邻的冷却水流路之间的所述反应气体流路槽的所述冷却面侧形成的连通流路槽，该连通流路槽的深度比所述冷却水流路槽浅；以及所述冷却水流路槽的方向发生变化的冷却水转弯部。在所述冷却水转弯部的背侧的位置，在所述气体流通面形成有反应气体转弯部，所述反应气体转弯部由恒定深度的槽部构成。根据该方式的分隔件，反应气体转弯部由恒定深度的槽部构成，因此在冲压加工时反应气体流路槽的转弯部处的材料的伸长率恒定，能够抑制破裂或变形等。
(2)在上述方式的分隔件中，可以的是，所述反应气体转弯部的所述恒定深度的槽部是深度与形成有所述连通流路槽的位置处的所述气体流通面侧的深度相同的浅槽部、或者深度与未形成所述连通流路槽的位置处的所述气体流通面侧的深度相同的深槽部。这样的话，能够容易地形成反应气体转弯部，在冲压加工时反应气体流路槽的转弯部处的材料的伸长率恒定，能够抑制破裂或变形等。
(3)在上述方式的分隔件中，可以的是，所述反应气体转弯部及所述冷却水转弯部具有无棱角的平滑曲线的轮廓。这样的话，反应气体流路槽的反应气体转弯部及冷却水流路槽的冷却水转弯部的加工容易，能够抑制破裂或变形等。
本发明也能够以上述方式的分隔件以外的各种方式实现。例如，能够以具备上述方式的分隔件的燃料电池的单元单电池、具备该单元单电池的燃料电池、具备该燃料电池的燃料电池系统等方式实现。
附图说明
图1是表示第一实施方式的燃料电池的结构的概略立体图。
图2是将单元单电池的结构分解表示的概略立体图。
图3是表示阳极侧分隔件的结构的概略俯视图。
图4是将燃料气体流路槽的一部分放大表示的概略立体图。
图5是将燃料气体流路槽及冷却水流路槽的方向变化的转弯部的从冷却面侧观察到的状态放大表示的概略立体图。
图6是将作为比较例的燃料气体流路槽及冷却水流路槽的方向变化的转弯部的从冷却面侧观察到状态放大表示的概略立体图。
具体实施方式
A.实施方式：
图1是表示燃料电池10的结构的概略立体图。燃料电池10具有将多个单元单电池100沿着水平方向即Z方向(以下，也称为“层叠方向”)层叠并利用一对端板170F、170E夹持的堆叠构造。在前端侧的端板170F与单元单电池100之间，隔着前端侧的绝缘板165F而设有前端侧的端子板160F。在后端侧的端板170E与单元单电池100之间，也同样地隔着后端侧的绝缘板165E而设有后端侧的端子板160E。单元单电池100、端子板160F、160E、绝缘板165F、165E、端板170F、170E分别具有大致矩形形状的外形的板状构造，以长边沿着X方向(水平方向)且短边沿着Y方向(重力方向、铅垂方向)的方式配置。
在前端侧的端板170F、绝缘板165F、端子板160F上设有燃料气体供给孔172in及燃料气体排出孔172out、多个氧化剂气体供给孔174in及氧化剂气体排出孔174out、多个冷却水供给孔176in及冷却水排出孔176out。上述的供给孔及排出孔与设置在各单元单电池100的对应的位置上的各个孔(未图示)连结，构成分别对应的气体或冷却水的供给歧管及排出歧管。另一方面，在后端侧的端板170E、绝缘板165E、端子板160E未设置上述的供给孔、排出孔。这是因为是如下类型的燃料电池：将反应气体(燃料气体、氧化剂气体)及冷却水从前端侧的端板170F经由供给歧管向各个单元单电池100供给，并将来自各个单元单电池100的排出气体及排出水从前端侧的端板170经由排出歧管向外部排出。但是，没有限定于此，例如，也可以构成为从前端侧的端板170F供给反应气体及冷却水并从后端侧的端板170E将排出气体及排出水向外部排出的类型等各种类型的燃料电池。
多个氧化剂气体供给孔174in沿着X方向(长边方向)配置在前端侧的端板170F的下端的外缘部，多个氧化剂气体排出孔174out沿着X方向配置在上端的外缘部。燃料气体供给孔172in配置在前端侧的端板170F的右端的外缘部的Y方向(短边方向)的上端部，燃料气体排出孔172out配置在左端的外缘部的Y方向的下端部。多个冷却水供给孔176in沿着Y方向配置在燃料气体供给孔172in的下侧，多个冷却水排出孔176out沿着Y方向配置在燃料气体排出孔172out的上侧。
前端侧的端子板160F及后端侧的端子板160E是各单元单电池100的发电电力的集电板，用于将从未图示的端子收集到的电力向外部输出。
图2是将单元单电池100的结构分解表示的概略立体图。单元单电池100具备：膜电极气体扩散层接合体(MEGA：MembraneElectrode&GasDiffusionLayerAssembly)110；从两侧夹持MEGA110的阳极侧分隔件120及阴极侧分隔件130；夹插于阴极侧分隔件130与MEGA110之间的气体流路构件150；以及将MEGA110的外周覆盖的密封构件140。
MEGA110是包括在电解质膜的两面上形成有一对催化剂电极层的膜电极接合体(MEA：MembraneElectrodeAssembly)，且在膜电极接合体的两面上形成有一对气体扩散层的发电体。需要说明的是，有时也将MEGA称为MEA。
阳极侧分隔件120及阴极侧分隔件130由具有气体隔断性及电子传导性的构件构成，例如，由通过对碳粒子进行压缩而气体不透过的致密质碳等碳制构件、不锈钢或钛等金属构件形成。
在阳极侧分隔件120上，如后述那样，在MEGA110侧的面上形成有槽状的燃料气体流路，在相反侧的面上形成有槽状的冷却水流路。
在阳极侧分隔件120上形成有燃料气体供给孔122in及燃料气体排出孔122out、多个氧化剂气体供给孔124in及氧化剂气体排出孔124out、多个冷却水供给孔126in及冷却水排出孔126out作为构成上述的歧管的供给孔及排出孔。同样，在阴极侧分隔件130上形成有燃料气体供给孔132in及燃料气体排出孔132out、多个氧化剂气体供给孔134in及氧化剂气体排出孔(未图示)、多个冷却水供给孔136in及冷却水排出孔136out。而且，在密封构件140上，也同样地，对应于阳极侧分隔件120的供给孔及排出孔，形成有燃料气体供给孔142in及燃料气体排出孔142out、多个氧化剂气体供给孔144in及氧化剂气体排出孔(未图示)、多个冷却水供给孔146in及冷却水排出孔146out。
气体流路构件150构成用于使从阴极侧分隔件130的氧化剂气体供给孔134in供给的氧化剂气体沿着MEGA110的面方向(XY平面方向)流动并从氧化剂气体排出孔134out排出的气体流路。作为气体流路构件150，例如，使用金属多孔体(例如膨胀合金)等具有气体扩散性及导电性的多孔质的材料。
图3是表示阳极侧分隔件120的结构的概略俯视图。需要说明的是，图3示出了从与和阳极侧分隔件120相邻的其他的单元单电池100相对的面即供冷却材料流动的面(以下，也称为“冷却面”)的一侧观察到的状态。需要说明的是，也将与冷却面相反的与MEGA110相对的面称为“气体流通面”。在阳极侧分隔件120的外周缘部，如上述那样，形成有燃料气体供给孔122in及燃料气体排出孔122out、多个氧化剂气体供给孔124in及氧化剂气体排出孔124out、多个冷却水供给孔126in及冷却水排出孔126out作为反应气体及冷却水的供给孔及排出孔。并且，在形成有这些供给孔及排出孔的内侧的流路形成区域121(图1)，如图2所示，在冷却面侧形成有凸部202Z和凹部204Z(称为“槽204Z”)交替反复排列的截面凸凹形状(截面波形形状)。该截面凹凸形状例如通过对一张平板进行冲压加工而形成。冷却面中的凸部202Z的背侧在气体流通面上构成燃料气体流路槽202，冷却面中的槽204Z的背侧在气体流通面上构成将燃料气体流路槽202分隔的肋204。而且，冷却面的槽204Z作为冷却水流路槽(以下，也称为“冷却水流路槽204Z”)起作用。并且，在气体流通面中，由多个燃料气体流路槽202构成的燃料气体流路200从燃料气体供给孔122in朝向燃料气体排出孔122out形成为蛇形状。在以下的说明中，数字之后标注有“Z”的标号是指冷却面中的构件或部分，相同的数字之后未标注“Z”的标号是指其背侧的部分。
在图3所示的冷却面侧，凸部202Z作为将冷却水流路槽204Z分隔的肋起作用。因此，在处于图3的左端部的区域A中，假设将凸部202Z形成为以恒定的高度连续的肋状的形状的情况下，凸部202Z成为壁而会产生阻碍从冷却水供给孔126in朝向冷却水排出孔126out的冷却水的流动这样的问题。因此，通过将该区域的凸部202Z形成为以下说明的构造，来防止此问题。
图4是将图3所示的区域A内的燃料气体流路200中的沿着Y方向的燃料气体流路槽202的一部分放大表示的概略立体图。在图4中，上方为冷却面侧，下方为气体流通面侧。在气体流通面中，在沿着Y方向形成的燃料气体流路槽202中形成有浅槽部208。浅槽部208是深度比其他的部分(以下，也称为“深槽部206”)浅的部分。在此，燃料气体流路槽202的深度是指从阳极侧分隔件120的气体流通面的与MEGA110接触的部分的位置到燃料气体流路槽202的底部为止的距离。因此，燃料气体流路槽202的深度在深槽部206的位置变深，在浅槽部208的位置变浅。该燃料气体流路槽202沿着Y方向存在浅槽部208及深槽部206，但是都与MEGA110不接触，因此构成供燃料气体沿着槽202流动的燃料气体流路。
而且，在多个单元单电池100层叠而成的燃料电池10(参照图1、2)中，阳极侧分隔件120的冷却面在深槽部206的背侧与相邻的单元单电池100的阴极侧分隔件的表面接触，在浅槽部208的背侧不接触。因此，在阳极侧分隔件120的浅槽部208的背侧与阴极侧分隔件130的表面之间形成有连通流路槽205Z，该连通流路槽205Z将隔着浅槽部208的背侧而相邻的2个冷却水流路槽204Z连通。通过该构造，冷却水不仅能够沿着冷却水流路槽204Z在Y方向(重力方向)上流动，而且也能够经由连通流路槽205Z在X方向即与Y方向交叉的方向上流动。由此，能够防止沿着X方向的冷却水的流动被沿着Y方向的凸部202Z隔断。
而且，虽然图示省略，但是优选在图3所示的区域A的沿着X方向的燃料气体流路槽202中也同样地形成浅槽部208。由此，能够防止沿着Y方向的冷却水的流动被沿着X方向的凸部202Z隔断。
而且，虽然图示省略，但是优选不仅对于沿着X方向及Y方向的燃料气体流路槽202，而且对于沿着相对于X方向及Y方向倾斜的方向的燃料气体流路槽202也同样地形成浅槽部208。由此，能够防止沿着X方向或Y方向的冷却水的流动被凸部202Z隔断。
如以上所述，冷却水流路具有交叉流路部，该交叉流路部由沿着X方向及Y方向的冷却水流路槽204Z及与它们交叉的连通流路槽205Z构成。冷却水流路槽204Z是隔着反应气体流路槽的背侧的凸部202Z而相邻的流路槽。而且，连通流路205Z是在反应气体流路槽的背侧的凸部202Z形成的流路槽。其结果是，从冷却水供给孔126in供给的冷却水不会被沿着X方向及Y方向中的任一方向的凸部202Z隔断，而能够朝向冷却水排出孔126out流动。
图5是将燃料气体流路槽202及冷却水流路槽204的方向变化的转弯部(例如图3所示的区域B)的从冷却面侧观察到的状态放大表示的概略立体图。在冷却面中，在图5的虚线框表示的区域204ZT(以下，称为“冷却水转弯部204ZT”)内，冷却水流路槽204Z的流路方向发生变化。即，冷却水流路槽204Z的方向沿着冷却水转弯部204T的形状而变化。另一方面，在气体流通面中，在与冷却水转弯部204ZT的背侧相当的区域208T(以下，称为“燃料气体转弯部208T”)中，燃料气体流路槽202的方向发生变化。即，燃料气体流路槽202的方向沿着燃料气体转弯部208T的形状而变化。在本实施方式中，燃料气体转弯部208T形成为具有无棱角的平滑曲线的轮廓且深度恒定的浅槽部。通过该燃料气体转弯部208T的构造，能够得到以下说明的效果。
图6是将作为比较例的燃料气体流路槽及冷却水流路槽的方向变化的转弯部的从冷却面侧观察到的状态放大表示的概略立体图。在比较例中，在虚线表示的燃料气体流路槽202的燃料气体转弯部的角部处成为深槽部206与浅槽部208相邻的形状。如在课题中说明的那样，在流路的方向变化的转弯部，需要对应于其形状而适当地形成冲压加工用的模具的倾斜面，特别难以将角部(正交部分)的形状形成为高精度的形状。而且，在对薄板进行冲压加工来成型分隔件的情况下，在冲压成型后的深槽部与浅槽部，材料的伸长率差异较大，因此冲压成型后的板厚在深槽部206与浅槽部208较大地波动的可能性大。由于上述的理由，特别在角部相邻的深槽部206与浅槽部208，板厚的波动增大，无法满足形状的保持所需的最低板厚，分隔件容易发生破裂或变形等。因此，在比较例的情况下，在燃料气体流路槽202的燃料气体转弯部(特别是角部)，难以高精度地加工深槽部206和浅槽部208。
相对于此，在上述实施方式中，如上述那样，燃料气体流路槽202的燃料气体转弯部208T(图5)的槽形成为具有无棱角的平滑曲线的轮廓且深度恒定的浅槽部。由此，在冲压成型时能够将转弯部的材料的伸长率保持恒定，因此能够抑制比较例中说明的破裂或变形等。需要说明的是，在将燃料气体转弯部208T形成为恒定深度的浅槽部的情况下，与比较例的构造的情况相比，冷却水的分配效率提高，但是阳极侧分隔件120与相邻的阴极侧分隔件130接触的接触面积在燃料气体转弯部208T处下降。接触面积的下降引起接触阻力的上升，从而引起燃料电池的最大输出的下降。因此，为了尽量抑制接触阻力的上升并尽量抑制燃料电池的最大输出的下降，优选将形成为浅槽部的反应气体转弯部208T的区域设定成满足燃料电池的最大输出和接触阻力的要求。
以上的说明以图3的区域B的转弯部为例进行了说明，但是在其他的区域的燃料气体流路槽及冷却水流路槽的方向发生变化的转弯部也能够应用同样的结构。
B.变形例：
需要说明的是，在上述的实施方式中，燃料气体流路槽202的燃料气体转弯部208T(图5)的槽形成为具有无棱角的平滑曲线的轮廓且深度恒定的浅槽部，但也可以取代于此而形成为具有无棱角的平滑曲线的轮廓且深度恒定的深槽部。这种情况下，也能够在冲压成型时将转弯部的材料的伸长率保持恒定，因此能够抑制比较例中说明的破裂或变形等。需要说明的是，在以深槽部形成燃料气体转弯部208T的情况下，阳极侧分隔件120与相邻的阴极侧分隔件130接触的接触面积在燃料气体转弯部208T处提高，但是与比较例的构造的情况相比，冷却水的分配效率下降。将燃料气体转弯部208T形成为浅槽部还是深槽部只要根据对燃料电池进行冷却的系统整体的富余度进行选择即可。
而且，在上述实施方式及上述变形例中，将燃料气体流路槽202的燃料气体转弯部208T的槽形成为具有无棱角的平滑曲线的轮廓且深度恒定的槽部，但也可以形成为具有带棱角的轮廓且深度恒定的槽部。但是，形成为无棱角的平滑曲线的轮廓的情况下，冲压加工容易，能够抑制破裂或变形等而更高精度地形成。
而且，在上述的实施方式中，对阳极侧分隔件120的燃料气体流路进行了说明，但是对于阴极侧分隔件的氧化剂气体流路也能够应用与燃料气体流路同样的流路构造。
本发明并不局限于上述的实施方式、实施例、变形例，在不脱离其主旨的范围内能够以各种结构实现。例如，发明内容一栏记载的各方式中的技术特征所对应的实施方式、实施例、变形例中的技术特征为了解决上述的课题的一部分或全部，或者为了实现上述的效果的一部分或全部，可以适当进行更换、组合。而且，前述的实施方式及各变形例的构成要素中的除独立权利要求记载的要素以外的要素是附加性的要素，可以适当省略。
标号说明
10…燃料电池
100…单元单电池
120…阳极侧分隔件
121…流路形成区域
122in…燃料气体供给孔
122out…燃料气体排出孔
124in…氧化剂气体供给孔
124out…氧化剂气体排出孔
126in…冷却水供给孔
126out…冷却水排出孔
130…阴极侧分隔件
132in…燃料气体供给孔
132out…燃料气体排出孔
134in…氧化剂气体供给孔
134out…氧化剂气体排出孔
136in…冷却水供给孔
136out…冷却水排出孔
140…密封构件
142in…燃料气体供给孔
142out…燃料气体排出孔
144in…氧化剂气体供给孔
144out…氧化剂气体排出孔
146in…冷却水供给孔
146out…冷却水排出孔
150…气体流路构件
160E…端子板
160F…端子板
165E…绝缘板
165F…绝缘板
170E…端板
170F…端板
172in…燃料气体供给孔
172out…燃料气体排出孔
174in…氧化剂气体供给孔
174out…氧化剂气体排出孔
176in…冷却水供给孔
176out…冷却水排出孔
200…燃料气体流路
202…燃料气体流路槽
202Z…凸部
204Z…冷却水流路槽
204ZT…冷却水转弯部
205Z…连通流路槽
206…深槽部
208…浅槽部
208T…燃料气体转弯部

Claims (6)

1.一种分隔件，是使用于燃料电池的分隔件，其中，
所述分隔件具有通过冲压加工而形成的凹凸形状，所述分隔件的一面构成具有反应气体流路的气体流通面，该反应气体流路包括由所述凹凸形状形成的多个反应气体流路槽，所述分隔件的另一面构成包括冷却水流路的冷却面，该冷却水流路包括由所述凹凸形状形成的多个冷却水流路槽，
所述冷却水流路具备：
交叉流路部，包括隔着所述反应气体流路的反应气体流路槽而相邻的冷却水流路槽和在所述相邻的冷却水流路之间的所述反应气体流路槽的所述冷却面侧形成的连通流路槽，该连通流路槽的深度比所述冷却水流路槽浅；以及
所述冷却水流路槽的方向发生变化的冷却水转弯部，
在所述冷却水转弯部的背侧的位置，在所述气体流通面形成有反应气体转弯部，所述反应气体转弯部由恒定深度的槽部构成。
2.根据权利要求1所述的分隔件，其中，
所述反应气体转弯部的所述恒定深度的槽部是深度与形成有所述连通流路槽的位置处的所述气体流通面侧的深度相同的浅槽部、或者深度与未形成所述连通流路槽的位置处的所述气体流通面侧的深度相同的深槽部。
3.根据权利要求1或2所述的分隔件，其中，
所述反应气体转弯部及所述冷却水转弯部具有无棱角的平滑曲线的轮廓。
4.一种燃料电池，是膜电极接合体与分隔件相对配置且在两者之间形成有气体流路的燃料电池，该气体流路用于沿着所述膜电极接合体的表面供给反应气体，其中，
所述分隔件具有通过冲压加工而形成的凹凸形状，所述分隔件的一面构成具有反应气体流路的气体流通面，该反应气体流路包括由所述凹凸形状形成的多个反应气体流路槽，所述分隔件的另一面构成包括冷却水流路的冷却面，该冷却水流路包括由所述凹凸形状形成的多个冷却水流路槽，
所述冷却水流路具备：
交叉流路部，包括隔着所述反应气体流路的反应气体流路槽而相邻的冷却水流路槽和在所述相邻的冷却水流路之间的所述反应气体流路槽的所述冷却面侧形成的连通流路槽，该连通流路槽的深度比所述冷却水流路槽浅；以及
所述冷却水流路槽的方向发生变化的冷却水转弯部，
在所述冷却水转弯部的背侧的位置，在所述气体流通面形成有反应气体转弯部，所述反应气体转弯部由恒定深度的槽部构成。
5.根据权利要求4所述的燃料电池，其中，
所述反应气体转弯部的所述恒定深度的槽部是深度与形成有所述连通流路槽的位置处的所述气体流通面侧的深度相同的浅槽部、或者深度与未形成所述连通流路槽的位置处的所述气体流通面侧的深度相同的深槽部。
6.根据权利要求4或5所述的燃料电池，其中，
所述反应气体转弯部及所述冷却水转弯部具有无棱角的平滑曲线的轮廓。
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