JP2003132911A - Fuel cell - Google Patents
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- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Abstract
Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、燃料電池に関し、
とくに固体高分子電解質型燃料電池の流路構造に関す
る。TECHNICAL FIELD The present invention relates to a fuel cell,
Particularly, it relates to a flow path structure of a solid polymer electrolyte fuel cell.
【０００２】[0002]
【従来の技術】固体高分子電解質型燃料電池は、膜−電
極アッセンブリ（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembl
y ）とセパレータとからなるセルを１層以上重ねてモジ
ュールとし、モジュールを積層して構成される。ＭＥＡ
は、イオン交換膜からなる電解質膜とこの電解質膜の一
面に配置された触媒層からなる電極（アノード）および
電解質膜の他面に配置された触媒層からなる電極（カソ
ード）とからなる。ＭＥＡとセパレータとの間には、通
常、拡散層が設けられる。ＭＥＡと拡散層を挟んだセパ
レータには、アノードに燃料ガス（水素）を供給する燃
料ガス流路およびカソードに酸化ガス（酸素、通常は空
気）を供給するための酸化ガス流路が形成される。ま
た、燃料電池を冷却するために、セパレータには、セル
毎にまたは複数のセル毎に、冷媒（冷却水）流路が形成
される。セパレータは、隣接するセル間の電子の通路を
構成している。セル積層体のセル積層方向両端に、ター
ミナル（電極板）、インシュレータ、エンドプレートを
配置し、セル積層体をセル積層方向に締め付け、セル積
層体の外側でセル積層方向に延びる締結部材（たとえ
ば、テンションプレート）とボルトにて固定して、スタ
ックが形成される。固体高分子電解質型燃料電池では、
アノード側では、水素を水素イオンと電子にする反応が
行われ、水素イオンは電解質膜中をカソード側に移動
し、カソード側では酸素と水素イオンおよび電子（隣り
のＭＥＡのアノードで生成した電子がセパレータを通し
てくる、または、セル積層体の一端のセルのアノードで
生成した電子が外部回路を通してセル積層体の他端のセ
ルのカソードにくる）から水を生成する反応が行われ
る。
アノード側：Ｈ2 →２Ｈ+ ＋２ｅ-
カソード側：２Ｈ+ ＋２ｅ- ＋（１／２）Ｏ2 →Ｈ2 Ｏ
酸化ガス流路下流部では、生成水により湿潤過多（フラ
ッディング）を起こしやすい。また、酸化ガス流路の生
成水は電解質膜を浸透して燃料ガス流路を湿潤させる。
フラッディングが起こると反応ガスの電極への拡散が低
下して電池の出力性能が低下する。反応ガスを無加湿
か、加湿しても低加湿で供給すると、ガス流路上流部
は、電解質膜の乾きを起こしやすく、電解質膜が乾くと
水素イオンの電解質膜中の移動が抑制され、電池の出力
性能が低下する。特開平１１−１６５９０号公報は、燃
料ガス流路における湿潤過多を抑制するために、一定厚
さの燃料電池セパレータにおいて、該セパレータに形成
された燃料ガス流路の溝深さを入口から出口にかけて徐
々に低くしたものを開示している。2. Description of the Related Art A solid polymer electrolyte fuel cell has a membrane-electrode assembly (MEA).
The module is formed by stacking one or more layers of cells each including y) and a separator to form a module. MEA
Is composed of an electrolyte membrane composed of an ion exchange membrane, an electrode (anode) composed of a catalyst layer arranged on one surface of the electrolyte membrane, and an electrode (cathode) composed of a catalyst layer arranged on the other surface of the electrolyte membrane. A diffusion layer is usually provided between the MEA and the separator. A fuel gas passage for supplying a fuel gas (hydrogen) to the anode and an oxidizing gas passage for supplying an oxidizing gas (oxygen, usually air) to the cathode are formed in the separator sandwiching the MEA and the diffusion layer. . Further, in order to cool the fuel cell, a refrigerant (cooling water) flow path is formed in the separator for each cell or for each of a plurality of cells. The separator constitutes a passage for electrons between adjacent cells. Terminals (electrode plates), insulators, and end plates are arranged at both ends of the cell stack in the cell stack direction, the cell stack is fastened in the cell stack direction, and fastening members extending in the cell stack direction outside the cell stack (for example, Tension plate) and bolts to form a stack. In the solid polymer electrolyte fuel cell,
On the anode side, hydrogen is converted into hydrogen ions and electrons, and the hydrogen ions move in the electrolyte membrane to the cathode side. On the cathode side, oxygen and hydrogen ions and electrons (electrons generated at the anode of the adjacent MEA are Electrons generated through the separator or generated at the anode of the cell at one end of the cell stack come to the cathode of the cell at the other end of the cell stack through an external circuit) to generate water. Anode side: H 2 → 2H + + 2e − Cathode side: 2H + + 2e − + (1/2) O 2 → H 2 O In the downstream portion of the oxidizing gas flow path, excessive wetting (flooding) is likely to occur due to generated water. In addition, the generated water in the oxidizing gas channel permeates the electrolyte membrane and wets the fuel gas channel.
When flooding occurs, the diffusion of the reaction gas to the electrode is reduced and the output performance of the battery is reduced. If the reaction gas is supplied without humidification or with low humidification even if humidified, the electrolyte membrane is likely to dry in the upstream part of the gas channel, and when the electrolyte membrane dries, the movement of hydrogen ions in the electrolyte membrane is suppressed, and Output performance is reduced. Japanese Patent Laid-Open No. 11-16590 discloses a fuel cell separator having a constant thickness, in which a groove depth of a fuel gas passage formed in the separator extends from an inlet to an outlet in order to suppress excessive wetting in the fuel gas passage. Disclosure is made gradually lower.
【０００３】[0003]
【発明が解決しようとする課題】しかし、特開平１１−
１６５９０号公報の燃料電池のように、ガス流路の溝深
さを変化させると、溝深さの深い部位に合わせてセパレ
ータの厚さを決定するため、セパレータの厚さがセル面
全域で大となり、溝深さが浅い部位ではセパレータ厚さ
に無駄が生じ、その結果、スタックのセル積層方向長さ
も大になり、スタックの重さも大になる。また、溝深さ
を変えるのは燃料ガス流路側だけであるから、湿潤過多
抑制は効果が半減する。本発明の目的は、ガス流路の溝
深さを変化させたセパレータを有する燃料電池で、セパ
レータ厚に無駄を生じさせず、スタックをコンパクトに
することができる、燃料電池を提供することにある。However, JP-A-11-
When the groove depth of the gas flow path is changed like the fuel cell of Japanese Patent No. 16590, the thickness of the separator is determined according to the deep groove depth, so that the thickness of the separator is large over the entire cell surface. Therefore, the separator thickness is wasted at a portion where the groove depth is shallow, and as a result, the length of the stack in the cell stacking direction becomes large and the weight of the stack also becomes large. Further, since the groove depth is changed only on the fuel gas channel side, the effect of suppressing excessive wetting is reduced by half. It is an object of the present invention to provide a fuel cell having a separator in which the groove depth of the gas flow path is changed, which is capable of reducing the thickness of the separator and making the stack compact. .
【０００４】[0004]
【課題を解決するための手段】上記目的を達成する本発
明はつぎの通りである。
（１） 燃料ガス流路の溝深さと酸化ガス流路の溝深さ
を各々セル面内方向に変化させ、セパレータの、燃料ガ
ス流路溝底厚みおよび酸化ガス流路溝底厚みを、各々セ
ル面内全域で一定にした、燃料電池。
（２） 燃料ガス流路と酸化ガス流路で流れの向きを互
いに逆にした（１）記載の燃料電池。
（３） 燃料ガス流路の溝深さと酸化ガス流路の溝深さ
を、共に、ガス入口からガス出口にかけて徐々に小さく
した（１）記載の燃料電池。
（４） 燃料ガス流路の溝深さと酸化ガス流路の溝深さ
との和を、セル面内全域で一定にした（１）記載の燃料
電池。The present invention which achieves the above object is as follows. (1) The groove depth of the fuel gas flow channel and the groove depth of the oxidizing gas flow channel are respectively changed in the cell in-plane direction, and the fuel gas flow channel groove bottom thickness and the oxidizing gas flow channel groove bottom thickness of the separator are respectively changed. A fuel cell that has a uniform cell surface. (2) The fuel cell according to (1), wherein the flow directions of the fuel gas passage and the oxidizing gas passage are opposite to each other. (3) The fuel cell according to (1), wherein both the groove depth of the fuel gas channel and the groove depth of the oxidizing gas channel are gradually reduced from the gas inlet to the gas outlet. (4) The fuel cell according to (1), wherein the sum of the groove depth of the fuel gas channel and the groove depth of the oxidizing gas channel is constant over the entire cell surface.
【０００５】上記（１）の燃料電池では、ガス流路の深
さを変えたにかかわらず溝底厚みを一定としたので、セ
パレータ厚みに無駄がなく、スタックをコンパクト化か
つ軽量化することができる。上記（２）〜（４）の燃料
電池では、燃料ガス流路と酸化ガス流路で流れの向きを
互いに逆にし、燃料ガス流路の溝深さと酸化ガス流路の
溝深さを、共に、ガス入口からガス出口にかけて徐々に
小さくしたので、燃料ガス流路の溝深さと酸化ガス流路
の溝深さとの和が、セル面内全域で一定となる。その結
果、ガス流路の深さを変えたにかかわらずセルを平行に
積層することができ、スタック長を増大させず、スタッ
クをコンパクトにできる。In the fuel cell of the above (1), since the groove bottom thickness is constant regardless of the depth of the gas flow passage, the thickness of the separator is not wasted, and the stack can be made compact and lightweight. it can. In the fuel cells of (2) to (4), the flow directions of the fuel gas passage and the oxidizing gas passage are opposite to each other, and the groove depth of the fuel gas passage and the groove depth of the oxidizing gas passage are both set. Since the depth is gradually reduced from the gas inlet to the gas outlet, the sum of the groove depth of the fuel gas passage and the groove depth of the oxidizing gas passage is constant over the entire cell surface. As a result, the cells can be stacked in parallel regardless of changing the depth of the gas flow path, the stack length is not increased, and the stack can be made compact.
【０００６】[0006]
【発明の実施の形態】以下に、本発明の燃料電池を図１
〜図１０を参照して、説明する。本発明の燃料電池は固
体高分子電解質型燃料電池１０である。固体高分子電解
質型燃料電池１０は、たとえば燃料電池自動車に搭載さ
れる。ただし、自動車以外に用いられてもよい。BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION The fuel cell of the present invention is shown in FIG.
~ It demonstrates with reference to FIG. The fuel cell of the present invention is a solid polymer electrolyte fuel cell 10. The solid polymer electrolyte fuel cell 10 is mounted in, for example, a fuel cell vehicle. However, it may be used for other than automobiles.
【０００７】固体高分子電解質型燃料電池１０は、膜−
電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assem
bly ）とセパレータ１８とからなるセル１６を１層以上
重ねてモジュール１７とし、モジュール１７を積層して
構成される。ＭＥＡは、イオン交換膜からなる電解質膜
１１とこの電解質膜１１の一面に配置された触媒層から
なる電極１２（アノード）および電解質膜１１の他面に
配置された触媒層からなる電極１４（カソード）とから
なる。ＭＥＡとセパレータ１８との間には、通常、拡散
層１３、１５が設けられる。セル積層体１９のセル積層
方向両端に、ターミナル（電極板）２０、インシュレー
タ２１、エンドプレート２２を配置し、セル積層体１９
をセル積層方向に締め付け、セル積層体１９の外側でセ
ル積層方向に延びる締結部材（たとえば、テンションプ
レート２４）とボルト２５にて固定して、スタック２３
が形成される。The solid polymer electrolyte fuel cell 10 has a membrane
MEA (Membrane-Electrode Assembly)
A module 16 is formed by stacking one or more layers of cells 16 each composed of a bly) and a separator 18, and the modules 17 are laminated. The MEA is composed of an electrolyte membrane 11 made of an ion exchange membrane, an electrode 12 (anode) made of a catalyst layer arranged on one surface of the electrolyte membrane 11, and an electrode 14 (cathode made of a catalyst layer arranged on the other surface of the electrolyte membrane 11). ) And. Diffusion layers 13 and 15 are usually provided between the MEA and the separator 18. Terminals (electrode plates) 20, insulators 21, and end plates 22 are arranged at both ends of the cell stack 19 in the cell stacking direction.
Are fastened in the cell stacking direction, and fixed with a fastening member (for example, a tension plate 24) extending in the cell stacking direction outside the cell stack 19 with bolts 25.
Is formed.
【０００８】ＭＥＡと拡散層１３、１５を挟んだ一対の
セパレータのうちアノード側のセパレータには、アノー
ド１２に燃料ガス（水素）を供給する燃料ガス流路２６
が形成されており、カソード側のセパレータには、カソ
ード１４に酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給するた
めの酸化ガス流路２７が形成されている。また、燃料電
池を冷却するために、セパレータ１８には、セル毎にま
たは複数のセル毎に、冷媒（冷却水）が流れる冷媒流路
２８が形成される。たとえば、図２では、２つのセル１
６からモジュール１７を構成し、モジュール１７毎に１
つの冷媒流路２８が設けられている。セパレータ１８
は、燃料ガスと酸化ガスを区画するか、冷却水と、燃料
ガスおよび酸化ガスを区画している。セパレータ１８
は、また、隣り合うセルのアノードからカソードに電子
が流れる電気の通路をも形成している。A fuel gas passage 26 for supplying a fuel gas (hydrogen) to the anode 12 is provided in the anode side of the pair of separators sandwiching the MEA and the diffusion layers 13 and 15.
Is formed, and an oxidizing gas flow path 27 for supplying an oxidizing gas (oxygen, usually air) to the cathode 14 is formed in the cathode side separator. Further, in order to cool the fuel cell, the separator 18 is provided with a coolant passage 28 through which a coolant (cooling water) flows, for each cell or for each plurality of cells. For example, in FIG. 2, two cells 1
Configure modules 17 from 6 and 1 for each module 17
One refrigerant channel 28 is provided. Separator 18
Separates the fuel gas from the oxidizing gas or the cooling water from the fuel gas and the oxidizing gas. Separator 18
Also forms an electrical pathway for electrons to flow from the anode to the cathode of adjacent cells.
【０００９】セパレータ１８は、カーボン板、または導
電性粒子（たとえば、カーボン粒子）を混入して導電性
をもたせた樹脂板、または金属板、の何れかからなる。
セパレータ１８に形成された流体流路２６、２７、２８
は、図７、図８に示すようにセパレータ１８の面に形成
された複数の溝１８ａの群からなるか、または図９、図
１０に示すようにセパレータ１８の面に形成された多数
の凸部１８ｂによって隣接するセパレータの面間に形成
されたスペース１８ｃからなるか、上記の溝と凸部によ
るスペースとの組み合わせからなるか、の何れかによっ
て形成される。The separator 18 is made of either a carbon plate, a resin plate having conductive particles (for example, carbon particles) mixed therein so as to have conductivity, or a metal plate.
Fluid flow paths 26, 27, 28 formed in the separator 18
Is a group of a plurality of grooves 18a formed on the surface of the separator 18 as shown in FIGS. 7 and 8, or a large number of protrusions formed on the surface of the separator 18 as shown in FIGS. It is formed by either the space 18c formed between the surfaces of the separators adjacent to each other by the portion 18b or the combination of the above-mentioned groove and the space by the convex portion.
【００１０】図３〜図６に示すように、電解質膜１１を
挟んだセパレータ１８において、燃料ガス流路２６の溝
深さ（流路がセパレータ面に形成された多数の凸部によ
って隣接するセパレータの面間に形成されたスペースか
らなる場合は、溝深さは凸部の高さに等しい、以下、同
じ）はセル面内方向（セル面と平行な方向、以下、同
じ）に変化しており、酸化ガス流路２７の溝深さはセル
面内方向に変化している。また、セパレータ１８の、燃
料ガス流路溝底厚み（流路がセパレータ面に形成された
多数の凸部によって隣接するセパレータの面間に形成さ
れたスペースからなる場合は、溝底は凸部以外の部位
で、溝底厚みは凸部以外の部位の厚みである、以下、同
じ）は、セル面内全域で一定であり、酸化ガス流路溝底
厚みは、セル面内全域で一定である。たとえば、ガス流
路溝底厚みは強度上必要最小厚みとされる。また、流路
幅は流れに沿って一定であってもよいし、変化してもよ
い。As shown in FIGS. 3 to 6, in the separator 18 sandwiching the electrolyte membrane 11, the groove depth of the fuel gas passage 26 (the separators adjacent to each other by a large number of protrusions formed on the separator surface). When the space is formed between the surfaces of the groove, the groove depth changes to the in-cell direction (parallel to the cell surface; Therefore, the groove depth of the oxidizing gas channel 27 changes in the in-cell direction. Further, the thickness of the fuel gas flow channel groove bottom of the separator 18 (when the flow channel is formed of a space formed between the surfaces of the adjacent separators by a large number of convex portions formed on the separator surface, the groove bottom is not a convex portion). , The groove bottom thickness is the thickness of the portion other than the convex portion, and the same hereinafter) is constant over the entire cell surface, and the oxidizing gas flow channel groove bottom thickness is constant over the entire cell surface. . For example, the bottom thickness of the gas flow channel groove is set to the minimum required thickness in terms of strength. Further, the flow channel width may be constant or may vary along the flow.
【００１１】また、燃料ガス流路２６の溝深さは、燃料
ガス入口から燃料ガス出口にかけて徐々に小さくなって
おり、酸化ガス流路２７の溝深さは、酸化ガス入口から
酸化ガス出口にかけて徐々に小さくなっている。また、
セル面内の任意の位置における燃料ガス流路２６の溝深
さと酸化ガス流路２７の溝深さとの和は、セル面内全域
で一定である。すなわち、燃料ガス流路２６と酸化ガス
流路２７の溝底傾斜の傾きはセル面内全域で一定とされ
ている。この場合、燃料ガス流路２６と酸化ガス流路２
７で溝深さが異なってもよい。Further, the groove depth of the fuel gas passage 26 gradually decreases from the fuel gas inlet to the fuel gas outlet, and the groove depth of the oxidizing gas passage 27 extends from the oxidizing gas inlet to the oxidizing gas outlet. It is getting smaller and smaller. Also,
The sum of the groove depth of the fuel gas flow channel 26 and the groove depth of the oxidizing gas flow channel 27 at any position in the cell plane is constant in the entire cell plane. That is, the inclination of the groove bottom inclination of the fuel gas flow path 26 and the oxidizing gas flow path 27 is constant over the entire cell surface. In this case, the fuel gas channel 26 and the oxidizing gas channel 2
7, the groove depth may be different.
【００１２】燃料ガス流路２６を流れる燃料ガスの流れ
と酸化ガス流路２７を流れる酸化ガスの流れの向きは、
ＭＥＡを隔てて、互いに逆向き（カウンタフロー）であ
る。また、冷媒流路２８を流れる冷媒の流れの向きと酸
化ガス流路２７を流れる酸化ガスの流れの向きは同じ向
きとする。上記構成によって、セル積層体において、Ｍ
ＥＡとその両側のセパレータからなるセルの断面形状
は、薄い平行四辺形となり、セルは平行に積層される。The directions of the flow of the fuel gas flowing through the fuel gas channel 26 and the flow of the oxidizing gas flowing through the oxidizing gas channel 27 are as follows.
The MEAs are separated from each other and are in opposite directions (counterflow). The direction of the flow of the refrigerant flowing through the refrigerant channel 28 and the direction of the flow of the oxidizing gas flowing through the oxidizing gas channel 27 are the same. With the above structure, in the cell stack, M
The cross-sectional shape of the cell including the EA and the separators on both sides thereof is a thin parallelogram, and the cells are stacked in parallel.
【００１３】つぎに、本発明の燃料電池の作用を説明す
る。まず、燃料ガス流路２６と酸化ガス流路２７の深さ
を流れ方向に変えたにかかわらず溝底厚みを一定とした
ので、従来の厚さ一定のセパレータにおけるようなセパ
レータの駄肉を減らせ、セパレータ厚みに無駄がなくな
り、セパレータ１８を薄肉化、軽量化でき、その結果、
スタック２３をコンパクト化かつ軽量化することができ
る。Next, the operation of the fuel cell of the present invention will be described. First, since the groove bottom thickness is made constant regardless of the depths of the fuel gas flow passage 26 and the oxidizing gas flow passage 27 being changed in the flow direction, it is possible to reduce the thickness of the separator as in the conventional separator having a constant thickness. , The thickness of the separator is not wasted, and the thickness of the separator 18 can be reduced and the weight can be reduced.
The stack 23 can be made compact and lightweight.
【００１４】また、燃料ガス流路２６と酸化ガス流路２
７で流れの向きを互いに逆にし、燃料ガス流路２６の溝
深さと酸化ガス流路２７の溝深さを、共に、ガス入口か
らガス出口にかけて徐々に小さくし、燃料ガス流路２６
の溝深さと酸化ガス流路２７の溝深さとの和が、セル面
内全域で一定となるようにしたので、ガス流路２６、２
７の溝深さを変えたにかかわらずセル１６を平行に積層
することができ、スタック長を増大させず、スタック２
３をコンパクトにできる。The fuel gas passage 26 and the oxidizing gas passage 2 are also provided.
7, the flow directions are reversed from each other, and the groove depth of the fuel gas passage 26 and the groove depth of the oxidizing gas passage 27 are gradually reduced from the gas inlet to the gas outlet.
Since the sum of the groove depth of the gas flow channel and the groove depth of the oxidizing gas flow channel 27 is made constant over the entire cell surface, the gas flow channels 26, 2
The cells 16 can be stacked in parallel regardless of changing the groove depth of 7, and the stack length is not increased.
3 can be made compact.
【００１５】また、燃料ガス流路２６の溝深さと酸化ガ
ス流路２７の溝深さを、共に、ガス入口からガス出口に
かけて徐々に小さく（浅く）したので、フラッディング
しやすい、燃料ガス流路２６、酸化ガス流路２７の下流
部の流速を、溝深さを変化させない場合に比べて、増加
できる。その結果、凝縮水を吹き払ってフラッディング
を抑制できる。また、アノード境界層、カソード境界層
が薄くなり拡散がよくなり、電池出力が増大する。Further, since the groove depth of the fuel gas flow path 26 and the groove depth of the oxidizing gas flow path 27 are both gradually reduced (shallow) from the gas inlet to the gas outlet, the fuel gas flow path is prone to flooding. 26, the flow velocity in the downstream portion of the oxidizing gas flow channel 27 can be increased as compared with the case where the groove depth is not changed. As a result, it is possible to suppress the flooding by blowing away the condensed water. In addition, the anode boundary layer and the cathode boundary layer are thinned to improve diffusion and increase the battery output.
【００１６】また、電解質膜１１を挟んだ燃料ガス（水
素）と酸化ガス（空気）の流れの向きを逆にしたので、
セル面内での水分布がより均一化する。流れ下流部の水
が電解質膜を透過して対向流れ上流部に移動することに
よって、流れ下流部の湿潤過多を抑制するとともに、対
向流れ上流部の乾きを抑制する。また、冷媒流れを酸化
ガス流れと同じ向きにしたので、乾きやすい酸化ガス流
路２７上流部の温度が下降し、凝縮環境になって電解質
膜１１のドライアップが抑制される。また、湿潤しやす
い酸化ガス流路２７下流部の温度が上昇し、飽和蒸気圧
が高くなって凝縮しにくくなり、フラッディングが抑制
される。Further, since the flow directions of the fuel gas (hydrogen) and the oxidizing gas (air) sandwiching the electrolyte membrane 11 are reversed,
The water distribution in the cell plane becomes more uniform. Water in the downstream portion of the flow permeates the electrolyte membrane and moves to the upstream portion of the counter flow, thereby suppressing excessive wetting of the downstream portion of the flow and suppressing drying of the upstream portion of the counter flow. Further, since the flow of the refrigerant is set in the same direction as the flow of the oxidizing gas, the temperature of the upstream portion of the oxidizing gas passage 27, which is easy to dry, is lowered, and a condensation environment is created, so that the dry-up of the electrolyte membrane 11 is suppressed. Further, the temperature of the downstream portion of the oxidizing gas passage 27, which is easily wetted, rises, the saturated vapor pressure becomes high, and it becomes difficult to condense, so that flooding is suppressed.
【００１７】[0017]
【発明の効果】請求項１の燃料電池によれば、ガス流路
の深さを変えたにかかわらず溝底厚みを一定としたの
で、セパレータ厚みに無駄がなく、ガス流路の深さ一定
の場合に比べてセパレータの厚さを減少でき、スタック
をコンパクト化かつ軽量化することができる。請求項２
の燃料電池によれば、燃料ガス流路と酸化ガス流路で流
れの向きを互いに逆にしたので、セル面内の水分布をよ
り均一化できる。請求項３の燃料電池によれば、燃料ガ
ス流路の溝深さと酸化ガス流路の溝深さを、共に、ガス
入口からガス出口にかけて徐々に小さくしたので、ガス
流路下流部で流速を増大でき、ガス流路下流部でのフラ
ッディングを抑制でき、拡散を良好にして、燃料電池出
力を上げることができる。請求項２、３の燃料電池によ
れば、燃料ガス流路と酸化ガス流路で流れの向きを互い
に逆にし、燃料ガス流路の溝深さと酸化ガス流路の溝深
さを、共に、ガス入口からガス出口にかけて徐々に小さ
くしたので、燃料ガス流路の溝深さと酸化ガス流路の溝
深さとの和を、セル面内全域で一定とすることができ
る。請求項４の燃料電池によれば、燃料ガス流路の溝深
さと酸化ガス流路の溝深さとの和を、セル面内全域で一
定としたので、ガス流路の深さを変えたにかかわらずセ
ルを平行に積層することができ、スタック長を増大させ
ず、スタックをコンパクトにできる。According to the fuel cell of claim 1, since the groove bottom thickness is made constant regardless of the depth of the gas passage, the separator thickness is not wasted and the gas passage depth is constant. The thickness of the separator can be reduced, and the stack can be made compact and lightweight as compared with the case of. Claim 2
According to the above fuel cell, since the flow directions in the fuel gas passage and the oxidizing gas passage are opposite to each other, the water distribution in the cell plane can be made more uniform. According to the fuel cell of claim 3, since the groove depth of the fuel gas channel and the groove depth of the oxidizing gas channel are both gradually reduced from the gas inlet to the gas outlet, the flow velocity is reduced in the downstream portion of the gas channel. It is possible to increase the fuel cell output, suppress flooding in the downstream portion of the gas flow path, improve diffusion, and increase fuel cell output. According to the fuel cell of claims 2 and 3, the flow directions are opposite to each other in the fuel gas passage and the oxidizing gas passage, and the groove depth of the fuel gas passage and the groove depth of the oxidizing gas passage are both set to Since it is gradually reduced from the gas inlet to the gas outlet, the sum of the groove depth of the fuel gas passage and the groove depth of the oxidizing gas passage can be made constant over the entire cell surface. According to the fuel cell of claim 4, since the sum of the groove depth of the fuel gas passage and the groove depth of the oxidizing gas passage is constant over the entire cell surface, the depth of the gas passage can be changed. Nevertheless, the cells can be stacked in parallel, the stack length is not increased, and the stack can be made compact.
【図１】本発明の燃料電池の全体概略図である。FIG. 1 is an overall schematic view of a fuel cell of the present invention.
【図２】本発明の燃料電池のモジュールの一部拡大断面
図である。FIG. 2 is a partially enlarged sectional view of a fuel cell module of the present invention.
【図３】本発明の燃料電池の２つの単セルを積層したも
のの断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view of a stack of two single cells of the fuel cell of the present invention.
【図４】本発明の燃料電池の燃料ガス流れを示すセパレ
ータの正面図である。FIG. 4 is a front view of a separator showing a fuel gas flow of the fuel cell of the present invention.
【図５】本発明の燃料電池の酸化ガス流れを示すセパレ
ータの正面図である。FIG. 5 is a front view of a separator showing a flow of oxidizing gas in the fuel cell of the present invention.
【図６】本発明の燃料電池の冷媒流れを示すセパレータ
の正面図である。FIG. 6 is a front view of a separator showing a refrigerant flow of the fuel cell of the present invention.
【図７】流路が溝から構成されている場合のセパレータ
の断面図である。FIG. 7 is a cross-sectional view of a separator in the case where a flow path is composed of grooves.
【図８】流路が溝から構成されている場合のセパレータ
の平面図である。FIG. 8 is a plan view of the separator in the case where the flow path is composed of grooves.
【図９】流路が多数の凸部によって隣接セパレータ面間
に形成されたスペースから構成されている場合のセパレ
ータの断面図である。FIG. 9 is a cross-sectional view of a separator in the case where a flow path is composed of a space formed between adjacent separator surfaces by a large number of convex portions.
【図１０】流路が多数の凸部によって隣接セパレータ面
間に形成されたスペースから構成されている場合のセパ
レータの平面図である。FIG. 10 is a plan view of a separator in the case where a flow path is composed of a space formed between adjacent separator surfaces by a large number of convex portions.
１０ （固体高分子電解質型）燃料電池 １１ 電解質膜 １２ 触媒層、電極（アノード） １３ 拡散層 １４ 触媒層、電極（カソード） １５ 拡散層 １６ セル １７ モジュール １８ セパレータ １８ａ 溝 １８ｂ 凸部 １８ｃ スペース １９ セル積層体 ２０ ターミナル ２１ インシュレータ ２２ エンドプレート ２３ スタック ２４ テンションプレート ２５ ボルト ２６ 燃料ガス流路（水素流路） ２７ 酸化ガス流路（空気流路） ２８ 冷媒流路（冷媒が水の場合は冷却水流路） 10 (Polymer electrolyte type) fuel cell 11 Electrolyte membrane 12 Catalyst layer, electrode (anode) 13 Diffusion layer 14 Catalyst layer, electrode (cathode) 15 Diffusion layer 16 cells 17 modules 18 separator 18a groove 18b convex part 18c space 19 cell stack 20 terminals 21 insulator 22 End plate 23 stack 24 tension plate 25 volts 26 Fuel gas channel (hydrogen channel) 27 Oxidizing gas flow path (air flow path) 28 Refrigerant flow channel (coolant flow channel if the coolant is water)
Claims (4)
溝深さを各々セル面内方向に変化させ、セパレータの、
燃料ガス流路溝底厚みおよび酸化ガス流路溝底厚みを、
各々セル面内全域で一定にした、燃料電池。1. The separator of a separator is formed by changing the groove depth of the fuel gas passage and the groove depth of the oxidizing gas passage in the in-plane direction of the cell.
The fuel gas channel groove bottom thickness and the oxidizing gas channel groove bottom thickness are
A fuel cell in which the entire cell surface is kept constant.
きを互いに逆にした請求項１記載の燃料電池。2. The fuel cell according to claim 1, wherein the flow directions of the fuel gas passage and the oxidizing gas passage are opposite to each other.
溝深さを、共に、ガス入口からガス出口にかけて徐々に
小さくした請求項１記載の燃料電池。3. The fuel cell according to claim 1, wherein both the groove depth of the fuel gas channel and the groove depth of the oxidizing gas channel are gradually reduced from the gas inlet to the gas outlet.
溝深さとの和を、セル面内全域で一定にした請求項１記
載の燃料電池。4. The fuel cell according to claim 1, wherein the sum of the groove depth of the fuel gas channel and the groove depth of the oxidizing gas channel is constant over the entire cell surface.
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Cited By (13)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2005057697A2 (en) * | 2003-12-09 | 2005-06-23 | Nissan Motor Co., Ltd. | Fuel cell stack |
| JP2005251699A (en) * | 2004-03-08 | 2005-09-15 | Mitsubishi Electric Corp | Fuel cell |
| JP2005268110A (en) * | 2004-03-19 | 2005-09-29 | Mitsubishi Electric Corp | Fuel cell separator |
| JP2006114387A (en) * | 2004-10-15 | 2006-04-27 | Toyota Motor Corp | Fuel cell |
| JP2006134582A (en) * | 2004-11-02 | 2006-05-25 | Toyota Motor Corp | Fuel cell and manufacturing method of the same |
| JP2008097944A (en) * | 2006-10-11 | 2008-04-24 | Hitachi Ltd | Fuel cell separator |
| JP2008153095A (en) * | 2006-12-19 | 2008-07-03 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | Fuel cell separator and fuel battery cell |
| JP2010021047A (en) * | 2008-07-11 | 2010-01-28 | Toyota Motor Corp | Fuel cell |
| JP2010282975A (en) * | 2003-11-20 | 2010-12-16 | General Motors Corp <Gm> | Fuel cell and method of manufacturing fuel cell |
| JP2012248523A (en) * | 2011-05-31 | 2012-12-13 | Nissan Motor Co Ltd | Fuel cell |
| US8778554B2 (en) | 2011-06-16 | 2014-07-15 | Honda Motor Co., Ltd. | Fuel cell |
| JP2017199608A (en) * | 2016-04-28 | 2017-11-02 | トヨタ自動車株式会社 | Fuel cell |
| CN109075357A (en) * | 2016-04-28 | 2018-12-21 | 奥迪股份公司 | Bipolar plates, fuel cell pack with the variable reaction gas passage of cross-sectional area and the vehicle with this fuel cell pack |
-
2001
- 2001-10-25 JP JP2001327169A patent/JP2003132911A/en active Pending
Cited By (19)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2010282975A (en) * | 2003-11-20 | 2010-12-16 | General Motors Corp <Gm> | Fuel cell and method of manufacturing fuel cell |
| WO2005057697A3 (en) * | 2003-12-09 | 2007-07-05 | Nissan Motor | Fuel cell stack |
| WO2005057697A2 (en) * | 2003-12-09 | 2005-06-23 | Nissan Motor Co., Ltd. | Fuel cell stack |
| JP2005251699A (en) * | 2004-03-08 | 2005-09-15 | Mitsubishi Electric Corp | Fuel cell |
| JP2005268110A (en) * | 2004-03-19 | 2005-09-29 | Mitsubishi Electric Corp | Fuel cell separator |
| JP2006114387A (en) * | 2004-10-15 | 2006-04-27 | Toyota Motor Corp | Fuel cell |
| JP2006134582A (en) * | 2004-11-02 | 2006-05-25 | Toyota Motor Corp | Fuel cell and manufacturing method of the same |
| JP4507833B2 (en) * | 2004-11-02 | 2010-07-21 | トヨタ自動車株式会社 | Fuel cell and manufacturing method thereof |
| JP2008097944A (en) * | 2006-10-11 | 2008-04-24 | Hitachi Ltd | Fuel cell separator |
| JP2008153095A (en) * | 2006-12-19 | 2008-07-03 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | Fuel cell separator and fuel battery cell |
| JP2010021047A (en) * | 2008-07-11 | 2010-01-28 | Toyota Motor Corp | Fuel cell |
| JP2012248523A (en) * | 2011-05-31 | 2012-12-13 | Nissan Motor Co Ltd | Fuel cell |
| US8778554B2 (en) | 2011-06-16 | 2014-07-15 | Honda Motor Co., Ltd. | Fuel cell |
| DE102012210162B4 (en) | 2011-06-16 | 2024-04-18 | Honda Motor Co., Ltd. | Fuel cell with membrane electrode arrangement |
| JP2017199608A (en) * | 2016-04-28 | 2017-11-02 | トヨタ自動車株式会社 | Fuel cell |
| CN109075357A (en) * | 2016-04-28 | 2018-12-21 | 奥迪股份公司 | Bipolar plates, fuel cell pack with the variable reaction gas passage of cross-sectional area and the vehicle with this fuel cell pack |
| JP2019515436A (en) * | 2016-04-28 | 2019-06-06 | フオルクスワーゲン・アクチエンゲゼルシヤフトＶｏｌｋｓｗａｇｅｎ Ａｋｔｉｅｎｇｅｓｅｌｌｓｃｈａｆｔ | Bipolar plate with reactant gas channels of varying cross-sectional area, fuel cell stack, and vehicle with such fuel cell stack |
| CN109075357B (en) * | 2016-04-28 | 2021-09-03 | 奥迪股份公司 | Bipolar plate with variable cross-sectional area reactant gas channels, fuel cell stack and vehicle with such a fuel cell stack |
| US11152627B2 (en) | 2016-04-28 | 2021-10-19 | Audi Ag | Bipolar plate which has reactant gas channels with variable cross-sectional areas, fuel cell stack, and vehicle comprising such a fuel cell stack |
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