JP2003142120A - Fuel cell - Google Patents
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- Y02E60/50—Fuel cells
Landscapes
- Fuel Cell (AREA)
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 )および拡散層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
従来の固体高分子型燃料電池では、各セルの厚みを薄く
して小型軽量化するため、カーボンで焼成加工または成
形加工したセパレータに代えて、ステンレスやアルミニ
ウム、ニッケル、ニオブ、タンタル等の金属で構成した
メタルセパレータが用いられることがある。また、耐腐
食性をよくするために、金や銀などの貴金属でメッキや
スパッタリング等の表面処理を行ったものが用いられる
こともある。また、特開2001−76740Aは、メ
タルセパレータ表面に導電性撥水層を形成して、メタル
セパレータの耐腐食性を向上させ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).
y) and one or more cells each including a diffusion layer and a separator are stacked to form a module, and the modules are stacked. The 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. Fuel gas (hydrogen) is added to the anode of the separator that sandwiches the MEA and diffusion layer.
A fuel gas flow path for supplying oxygen and an oxidizing gas flow path for supplying an oxidizing gas (oxygen, usually air) to the cathode are formed. Further, in order to cool the fuel cell, the separator is provided with a refrigerant (cooling water) for each cell or for each plurality of cells.
A flow path is formed. 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 a solid polymer electrolyte fuel cell, hydrogen is converted into hydrogen ions and electrons on the anode side, the hydrogen ions move to the cathode side in the electrolyte membrane, and on the cathode side, oxygen, hydrogen ions and electrons (adjacent The electrons generated at the MEA anode come through the separator, or the electrons 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. The reaction is carried out. Anode side: H 2 → 2H + + 2e − Cathode side: 2H + + 2e − + (1/2) O 2 → H 2 O In conventional polymer electrolyte fuel cells, the thickness of each cell is thin to reduce size and weight. Therefore, a metal separator made of a metal such as stainless steel, aluminum, nickel, niobium, or tantalum may be used instead of the separator fired or molded with carbon. Further, in order to improve the corrosion resistance, there may be used one that has been subjected to surface treatment such as plating or sputtering with a noble metal such as gold or silver. Further, Japanese Patent Laid-Open No. 2001-76740A discloses a metal separator in which a conductive water-repellent layer is formed to improve the corrosion resistance of the metal separator.
【0003】[0003]
【発明が解決しようとする課題】メタルセパレータ等、
少なくとも表面が金属製のセパレータ(金属メッキし
た、表面だけが金属のセパレータでもよい)には、ME
Aから溶出したフッ酸や改質ガスに含まれた硫酸等によ
り酸性を帯びた水分に長時間触れる場合、腐食を起こし
やすいという問題がある。とくに水分が滞留しやすく乾
燥しにくい部分、たとえば拡散層のうちセパレータの溝
間のリブによって押されている部分、に接触しているセ
パレータ部分は、腐食が起こりやすい。特開2001−
76740Aのようにメタルセパレータ表面に導電性撥
水層を形成してもセパレータの腐食を十分に抑制するこ
とはできない。本発明の目的は、表面が金属製のセパレ
ータの腐食を抑制できる燃料電池を提供することにあ
る。DISCLOSURE OF THE INVENTION Problems to be Solved by the Invention
At least a separator made of metal on the surface (a metal-plated separator may be a separator having only a metal surface) may have a ME
When hydrofluoric acid eluted from A or sulfuric acid contained in the reformed gas is exposed to acidic water for a long time, there is a problem that corrosion is likely to occur. In particular, the portion of the separator that is in contact with the portion where moisture is likely to stay and is difficult to dry, for example, the portion of the diffusion layer that is pressed by the ribs between the grooves of the separator is likely to be corroded. Japanese Patent Laid-Open No. 2001-
Even if a conductive water-repellent layer is formed on the surface of the metal separator like 76740A, the corrosion of the separator cannot be sufficiently suppressed. An object of the present invention is to provide a fuel cell capable of suppressing corrosion of a separator having a metal surface.
【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) 表面が金属製のセパレータに接する拡散層に反
応ガスの少なくとも一部の排出を行う通路を形成した燃
料電池。
(2) 表面が金属製のセパレータに接する拡散層に反
応ガスの少なくとも一部をセパレータのガス流路を経由
することなく直接セパレータ面外へ排出可能な通路を形
成した燃料電池。
(3) 前記セパレータの前記拡散層との接触部に導電
性撥水層を形成した(1)または(2)記載の燃料電
池。The present invention which achieves the above object is as follows. (1) A fuel cell in which a passage for discharging at least a part of a reaction gas is formed in a diffusion layer whose surface is in contact with a separator made of metal. (2) A fuel cell in which a passage is formed in a diffusion layer whose surface is in contact with a separator made of metal so that at least a part of the reaction gas can be directly discharged to the outside of the separator without passing through the gas flow path of the separator. (3) The fuel cell according to (1) or (2), wherein a conductive water repellent layer is formed on a contact portion of the separator with the diffusion layer.
【0005】上記(1)、(2)の燃料電池では、セパ
レータに接する拡散層にガスが流れるので水分が滞留せ
ず、それに接する表面が金属製のセパレータ(金属メッ
キした、表面だけが金属のセパレータでもよい)の腐食
を抑制できる。上記(3)の燃料電池では、セパレータ
の、拡散層との接触部に導電性撥水層を形成したので、
セパレータ表面が水分に濡れにくくなり、表面が金属製
のセパレータの腐食を抑制できる。In the fuel cells of the above (1) and (2), since gas flows in the diffusion layer in contact with the separator, water does not stay therein, and the surface in contact with it is made of a metal separator (metal plated, only the surface is made of metal). It may be a separator). In the fuel cell of (3) above, since the conductive water repellent layer is formed at the contact portion of the separator with the diffusion layer,
The separator surface is less likely to get wet with water, and the corrosion of the separator having a metal surface can be suppressed.
【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5を参照して、説明する。図中、図1は本発明の何
れの実施例にも適用可能な構成を示し、図2は本発明の
実施例1を示し、図3は本発明の実施例2を示し、図
4、図5は本発明の実施例3を示す。本発明の全実施例
にわたって共通するかまたは類似する構成要素には、本
発明の全実施例にわたって同じ符号を付してある。ま
ず、本発明の全実施例にわたって共通するかまたは類似
する(ただし、必須であるとは限らない)構成要素を、
図1、図4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. 1 shows a configuration applicable to any of the embodiments of the present invention, FIG. 2 shows a first embodiment of the present invention, FIG. 3 shows a second embodiment of the present invention, FIG. 5 shows Example 3 of the present invention. Components that are common or similar across all embodiments of the invention are labeled with the same reference numerals across all embodiments of the invention. First, components common or similar (but not necessarily essential) to all embodiments of the invention are
This will be described with reference to FIGS. 1 and 4. 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、1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、冷却水と、燃料ガスおよび酸化ガスを区画するか、
または燃料ガスと酸化ガスを区画している。図示例で
は、1つのセルの燃料ガスと冷媒を区画するセパレータ
と、それに隣接するセルの酸化ガスと冷媒を区画するセ
パレータとを、冷媒流路を合わせて重ねた構成としてあ
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, one cell 1
Configure modules 17 from 6 and 1 for each module 17
One refrigerant channel 28 is provided. Separator 18
Separates the cooling water from the fuel gas and oxidizing gas,
Alternatively, the fuel gas and the oxidizing gas are divided. In the illustrated example, a separator for partitioning the fuel gas and the refrigerant of one cell and a separator for partitioning the oxidizing gas and the refrigerant of the adjacent cells are overlapped with their refrigerant channels aligned. The separator 18 also forms an electrical passage through which electrons flow from the anodes of adjacent cells to the cathodes.
【0009】セルの外周部は、樹脂の枠体(中抜き)か
ら構成されている。セルの外周部には、燃料ガス供給マ
ニホールド29a、燃料ガス排出マニホールド29b、
酸化ガス供給マニホールド30a、酸化ガス排出マニホ
ールド30b、冷媒供給マニホールド、冷媒排出マニホ
ールドが形成されている。燃料ガス供給マニホールド2
9a、燃料ガス排出マニホールド29bは燃料ガス流路
26に連通しており、酸化ガス供給マニホールド30
a、酸化ガス排出マニホールド30bは酸化ガス流路2
7に連通しており、冷媒供給マニホールド、冷媒排出マ
ニホールドは冷媒マニホールド28に連通している。The outer peripheral portion of the cell is composed of a resin frame body (hollow out). The fuel gas supply manifold 29a, the fuel gas discharge manifold 29b,
An oxidizing gas supply manifold 30a, an oxidizing gas discharge manifold 30b, a refrigerant supply manifold, and a refrigerant discharge manifold are formed. Fuel gas supply manifold 2
9a and the fuel gas discharge manifold 29b communicate with the fuel gas flow path 26, and the oxidizing gas supply manifold 30
a, the oxidizing gas exhaust manifold 30b is the oxidizing gas flow path 2
7, the refrigerant supply manifold and the refrigerant discharge manifold communicate with the refrigerant manifold 28.
【0010】セパレータ18は、表面が金属製のセパレ
ータからなる。セパレータ18は、金属板(たとえば、
ステンレスやアルミニウム等の安価な金属板)からなる
メタルセパレータか、または金属板(たとえば、ステン
レスやアルミニウム等の安価な金属板)の表面に別の金
属メッキ(金や銀など以外の、比較的安価な金属のメッ
キ)を施したメタルセパレータか、またはカーボン板ま
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の表面に金属メッキ(金や銀な
ど以外の、比較的安価な金属のメッキ)を施した表面の
みが金属製のセパレータ、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、プレ
ス成形などによってセパレータ18に形成された複数の
溝の群からなるか、またはプレス成形などによってセパ
レータ18に形成された多数の凸部間のスペースからな
るか、上記複数の溝と凸部間のスペースとの組み合わせ
からなるか、などによって形成される。The separator 18 is a separator whose surface is made of metal. The separator 18 is a metal plate (for example,
A metal separator made of an inexpensive metal plate such as stainless steel or aluminum), or another metal plating (other than gold or silver, etc.) on the surface of the metal plate (for example, an inexpensive metal plate such as stainless steel or aluminum) is relatively inexpensive A metal separator that has been plated with various metals, or the surface of a resin plate that has been made conductive by mixing carbon plates or conductive particles (for example, carbon particles) with metal plating (other than gold or silver, etc. The metal-made separator is the only surface that has been plated with an inexpensive metal. The fluid passages 26, 27, 28 formed in the separator 18 are formed by a group of a plurality of grooves formed in the separator 18 by press molding or the like, or a large number of convex portions formed in the separator 18 by press molding or the like. Or a combination of the spaces between the plurality of grooves and the protrusions.
【0011】電極12、14は、触媒(たとえば、白金
Pt)粒子、カーボン粒子、電解質とからなる。拡散層
13、15は、たとえば、カーボン粒子またはカーボン
繊維をバインダー(炭化または未炭化)でクロスまたは
ペーパ状にした層からなり、通気性と導電性を有する。
表面が金属製のセパレータに接する拡散層13、15
は、反応ガスの少なくとも一部の排出を行う通路31、
32を有する。通路31、32は、拡散層13に形成さ
れた通路31と拡散層15に形成された通路32を含ん
でいる。すなわち、表面が金属製のセパレータに接する
拡散層13、15には、反応ガスの少なくとも一部をセ
パレータのガス流路26、27を経由することなく直接
セパレータ面外へ排出可能な通路31、32が形成され
ている。The electrodes 12 and 14 are composed of catalyst (for example, platinum Pt) particles, carbon particles, and an electrolyte. The diffusion layers 13 and 15 are made of, for example, a layer in which carbon particles or carbon fibers are crossed or paper-shaped with a binder (carbonized or non-carbonized), and have breathability and conductivity.
Diffusion layers 13, 15 whose surface is in contact with a metallic separator
Is a passage 31 for discharging at least a part of the reaction gas,
32. The passages 31 and 32 include a passage 31 formed in the diffusion layer 13 and a passage 32 formed in the diffusion layer 15. That is, in the diffusion layers 13 and 15 whose surfaces are in contact with the separator made of metal, at least a part of the reaction gas can be directly discharged to the outside of the separator surface without passing through the gas passages 26 and 27 of the separator. Are formed.
【0012】アノード12と接する拡散層13(拡散層
13の内部でも表面でもよい)には、ほぼセパレータ1
8に平行に形成された通路31が形成されている。通路
31は、平行または格子状に細かいピッチで形成された
多数のガス流出孔からなるか、または疎密の異なる層を
重ねた多層構成の拡散層の疎の層から形成されているこ
とが望ましい。通路31は燃料ガス排出マニホールド2
9bに連通している。したがって、燃料ガス流路26は
直接燃料ガス排出マニホールド29bに連通するととも
に、通路31を介して燃料ガス排出マニホールド29b
に連通している。通路31は燃料ガス供給マニホールド
29aに連通していてもよい。The diffusion layer 13 (which may be inside or on the surface of the diffusion layer 13) which is in contact with the anode 12 has substantially the separator 1.
A passage 31 formed in parallel with 8 is formed. The passages 31 are preferably formed of a large number of gas outflow holes formed in parallel or in a grid pattern with a fine pitch, or are formed of a sparse layer of a diffusion layer having a multi-layered structure in which layers of different sparseness are stacked. The passage 31 is the fuel gas exhaust manifold 2
It communicates with 9b. Therefore, the fuel gas flow passage 26 directly communicates with the fuel gas discharge manifold 29b, and the fuel gas discharge manifold 29b via the passage 31.
Is in communication with. The passage 31 may communicate with the fuel gas supply manifold 29a.
【0013】同様に、カソード14と接する拡散層15
(拡散層15の内部でも表面でもよい)には、ほぼセパ
レータ18に平行に形成された通路32が形成されてい
る。通路32は、平行または格子状に細かいピッチで形
成された多数のガス流出孔からなるか、または疎密の異
なる層を重ねた多層構成の拡散層の疎の層から形成され
ていることが望ましい。通路32は酸化ガス排出マニホ
ールド30bに連通している。したがって、酸化ガス流
路27は直接酸化ガス排出マニホールド30bに連通す
るとともに、通路32を介して酸化ガス排出マニホール
ド30bに連通している。通路32は酸化ガス供給マニ
ホールド30aに連通していてもよい。Similarly, the diffusion layer 15 in contact with the cathode 14
A passage 32 formed substantially parallel to the separator 18 is formed in the diffusion layer 15 (inside or on the surface of the diffusion layer 15). The passages 32 are preferably formed of a large number of gas outflow holes formed in parallel or in a grid pattern with a fine pitch, or are preferably formed of a sparse layer of a diffusion layer having a multi-layered structure in which layers of different sparseness are stacked. The passage 32 communicates with the oxidizing gas exhaust manifold 30b. Therefore, the oxidizing gas flow passage 27 directly communicates with the oxidizing gas exhaust manifold 30b and also communicates with the oxidizing gas exhaust manifold 30b through the passage 32. The passage 32 may communicate with the oxidizing gas supply manifold 30a.
【0014】セパレータ18の、拡散層13、15との
少なくとも一方との接触面には、導電性撥水層33、3
4(導電性撥水層33は拡散層13との接触面に形成さ
れたもの、導電性撥水層34は拡散層15との接触面に
形成されたもの)を形成してもよい。ただし、導電性撥
水層33、34の形成は必須ではない。導電性撥水層3
3、34をセパレータ18の拡散層13、15との接触
面に形成する場合、ローラで塗布形成するとよい。ロー
ラによる塗布形成によって、セパレータ18の拡散層1
3、15との接触面のみに(ガス流路27、28の表面
には形成しないで拡散層との接触面のみに)導電性撥水
層33、34を形成できる。導電性撥水層33、34
は、たとえば、撥水性を有する樹脂(たとえば、ポリテ
トラフルオロエチレン、ただしポリテトラフルオロエチ
レンに限るものではない)に導電性を出すためにカーボ
ン粉末やカーボン繊維を混合したものを塗布・乾燥する
ことにより形成される。Conductive water-repellent layers 33, 3 are provided on the contact surface of the separator 18 with at least one of the diffusion layers 13, 15.
4 (the conductive water-repellent layer 33 is formed on the contact surface with the diffusion layer 13 and the conductive water-repellent layer 34 is formed on the contact surface with the diffusion layer 15). However, formation of the conductive water repellent layers 33 and 34 is not essential. Conductive water repellent layer 3
When forming 3, 34 on the contact surface of the separator 18 with the diffusion layers 13, 15, it may be applied and formed by a roller. The diffusion layer 1 of the separator 18 is formed by coating and forming with a roller.
The conductive water-repellent layers 33 and 34 can be formed only on the contact surfaces with the electrodes 3 and 15 (without forming on the surfaces of the gas flow paths 27 and 28, only on the contact surfaces with the diffusion layers). Conductive water repellent layers 33, 34
For example, apply and dry a mixture of carbon powder and carbon fibers to give conductivity to a water-repellent resin (for example, polytetrafluoroethylene, but not limited to polytetrafluoroethylene). Is formed by.
【0015】つぎに、本発明の全実施例にわたって共通
するかまたは類似する構成要素の作用を説明する。燃料
ガスは、燃料ガス供給マニホールド29aから燃料ガス
流路26に流入し、一部は燃料ガス流路26から通路3
1を通って燃料ガス排出マニホールド29bに流出し、
残りは燃料ガス流路26から(通路31を通らないで)
直接燃料ガス排出マニホールド29bに流出する。同様
に、酸化ガスは、酸化ガス供給マニホールド30aから
酸化ガス流路27に流入し、一部は酸化ガス流路27か
ら通路32を通って酸化ガス排出マニホールド30bに
流出し、残りは酸化ガス流路27から(通路32を通ら
ないで)直接酸化ガス排出マニホールド30bに流出す
る。The operation of common or similar components across all embodiments of the invention will now be described. The fuel gas flows into the fuel gas passage 26 from the fuel gas supply manifold 29a, and a part of the fuel gas passes through the passage 3 from the fuel gas passage 26.
1 to the fuel gas discharge manifold 29b,
The rest is from the fuel gas passage 26 (without passing through the passage 31)
It directly flows out to the fuel gas discharge manifold 29b. Similarly, the oxidizing gas flows from the oxidizing gas supply manifold 30a into the oxidizing gas flow passage 27, a part of the oxidizing gas flows out of the oxidizing gas flow passage 27 through the passage 32 to the oxidizing gas discharge manifold 30b, and the rest flows into the oxidizing gas flow. It directly flows out of the passage 27 (without passing through the passage 32) to the oxidizing gas exhaust manifold 30b.
【0016】燃料ガス(および水蒸気)が拡散層13に
形成した通路31を流れるので、セパレータ18からM
EA側はガスが流れることによって、高濃度のpH(ほ
ぼpHが3より小のレベル)をもつ酸性のガスまたは液
体がセパレータ近傍に滞留することがなくなり、拡散層
13のセパレータのリブ部で押されている部分の近傍が
乾燥するため、セパレータ18が酸性の水分に長時間触
れることによって腐食することを防止または抑制するこ
とができる。セパレータ18の燃料ガス流路26の拡散
層13と接触しない表面は、燃料ガス流路26の燃料ガ
ス流れによって比較的乾燥しやすいので、腐食上問題を
生じにくい。これに対し、セパレータ18の拡散層13
との接触部は腐食しやすい部位であったが、その部分が
腐食しにくくなったことによって、セパレータ18およ
び燃料電池の耐久性が向上する。Since the fuel gas (and the water vapor) flows through the passage 31 formed in the diffusion layer 13, the fuel gas (and water vapor) flows from the separator 18 to M.
On the EA side, the flow of gas prevents the acidic gas or liquid having a high concentration of pH (pH is substantially lower than 3) from staying in the vicinity of the separator, and is pushed by the rib portion of the separator of the diffusion layer 13. Since the vicinity of the exposed portion is dried, it is possible to prevent or suppress the separator 18 from being corroded by being exposed to acidic water for a long time. The surface of the separator 18 that does not come into contact with the diffusion layer 13 of the fuel gas flow path 26 is relatively easy to dry due to the fuel gas flow of the fuel gas flow path 26, so corrosion problems do not occur easily. On the other hand, the diffusion layer 13 of the separator 18
Although the contact portion with is a portion that is easily corroded, the durability of the separator 18 and the fuel cell is improved because the portion is less likely to be corroded.
【0017】同様に、酸化ガス(および水蒸気)が拡散
層15に形成した通路32を流れるので、セパレータ1
8からMEA側はガスが流れることによって、高濃度の
pH(ほぼpHが3より小のレベル)をもつ酸性のガス
または液体がセパレータ近傍に滞留することがなくな
り、拡散層15のセパレータのリブ部で押されている部
分の近傍が乾燥するため、セパレータ18が酸性の水分
に長時間触れることによって腐食することを防止または
抑制することができる。セパレータ18の酸化ガス流路
27の拡散層15と接触しない表面は、酸化ガス流路2
7の燃料ガス流れによって比較的乾燥しやすいので、腐
食上問題を生じにくい。これに対し、セパレータ18の
拡散層15との接触部は腐食しやすい部位であったが、
その部分が腐食しにくくなったことによって、セパレー
タ18および燃料電池の耐久性が向上する。Similarly, since the oxidizing gas (and water vapor) flows through the passage 32 formed in the diffusion layer 15, the separator 1
The gas flows from 8 to the MEA side so that an acidic gas or liquid having a high concentration of pH (a pH of a level lower than 3) does not stay near the separator, and the rib portion of the separator of the diffusion layer 15 is prevented. Since the vicinity of the portion pressed by is dried, it is possible to prevent or suppress the separator 18 from being corroded by being exposed to acidic water for a long time. The surface of the separator 18 that does not come into contact with the diffusion layer 15 of the oxidizing gas passage 27 is the oxidizing gas passage 2
The fuel gas flow of No. 7 makes it relatively easy to dry, so that a corrosion problem is unlikely to occur. On the other hand, the contact portion of the separator 18 with the diffusion layer 15 was a portion that was easily corroded,
Since the portion is less likely to corrode, the durability of the separator 18 and the fuel cell is improved.
【0018】その結果、セパレータ18を構成する材料
は、ステンレスやアルミニウム(アルミニウム合金でも
よい)のような安価な金属でよく、メッキなどの表面処
理をする必要がなくなるか、またはメッキなどの表面処
理をするする場合にもメッキ材料に金などの貴金属を使
用する必要がなくなり、大幅なコスト低減も可能とな
る。また、セパレータ18をメタルセパレータとから構
成でき、カーボンセパレータの場合は割れ防止のため厚
手(たとえば、3mm)にしなければならなかったが、
メタルセパレータとすることにより薄手(流路の凹凸を
入れて約1mm、金属板自体はたとえば約0.2mm)
とすることができ、燃料電池スタック23の積層方向寸
法を大幅に低減できるとともに、軽量化でき、車両への
搭載の容易化、燃費の改善等に大きく寄与する。As a result, the material forming the separator 18 may be an inexpensive metal such as stainless steel or aluminum (or an aluminum alloy may be used), and it is not necessary to perform surface treatment such as plating or surface treatment such as plating. In the case of performing, it is not necessary to use a precious metal such as gold for the plating material, and it is possible to significantly reduce the cost. Further, the separator 18 can be composed of a metal separator, and in the case of a carbon separator, it must be thick (for example, 3 mm) to prevent cracking.
Thin by using a metal separator (approx. 1 mm with irregularities in the flow path, metal plate itself is about 0.2 mm, for example)
Therefore, the dimension of the fuel cell stack 23 in the stacking direction can be greatly reduced, and the weight can be reduced, which greatly contributes to easy mounting in a vehicle, improvement in fuel consumption, and the like.
【0019】また、セパレータ18の拡散層13、15
との接触部に導電性撥水層33、34を形成した場合
は、拡散層13、15に酸性水が滞留してもそれを導電
性撥水層33、34が撥水するため、セパレータ18が
酸性水の影響、腐食を受けにくくなり、セパレータ18
および燃料電池の耐久性が向上する。また、メタルセパ
レータの材料に安価な材料を使用でき、コスト低減がは
かれる他、メタルセパレータの採用による燃料電池スタ
ック23のサイズダウン、軽量化、車両への搭載性の向
上などの作用・効果が得られる。The diffusion layers 13 and 15 of the separator 18 are also
When the conductive water-repellent layers 33 and 34 are formed in contact with the separator 18, even if the acidic water stays in the diffusion layers 13 and 15, the conductive water-repellent layers 33 and 34 repel the water, so that the separator 18 Becomes less susceptible to the effects of acid water and corrosion, and the separator 18
And the durability of the fuel cell is improved. In addition, since an inexpensive material can be used as the material of the metal separator, the cost can be reduced, and the operation and effects of reducing the size and weight of the fuel cell stack 23 by adopting the metal separator and improving the mountability on the vehicle can be obtained. To be
【0020】本発明は、拡散層13、15に通路3
1、32を形成すること(通路31、32の何れか一方
のみが形成される場合でもよいし、あるいは通路31、
32の両方が形成される場合でもよい)と、セパレー
タ18の拡散層13、15との接触部に導電性撥水層3
3、34を形成することとは、、の一方のみを採用
した構成にしてもよいし、またはとの両方を組み合
わせた構成にしてもよい。According to the present invention, the passages 3 are formed in the diffusion layers 13 and 15.
1, 32 (only one of the passages 31, 32 may be formed, or the passages 31, 32 may be formed).
32 may be formed), and the conductive water-repellent layer 3 is formed on the contact portion of the separator 18 with the diffusion layers 13 and 15.
Forming 3, 34 may be a configuration in which only one is adopted, or a configuration in which both are combined.
【0021】つぎに、本発明の各実施例に特有な構成、
作用を説明する。本発明の実施例1では、図2に示すよ
うに、セパレータ18はメタルセパレータであり、メタ
ルセパレータには導電性撥水層は形成されていない。メ
タルセパレータの表面にメッキ処理は施してあってもよ
いし、あるいは施してなくてもよい。ただし、メッキ処
理を施す場合でも、貴金属メッキはコストアップになる
のでしない。拡散層13には通路31が形成され、拡散
層15には通路32が形成されている。拡散層13、1
5の通路31、32は拡散層13、15内に形成されて
いる、セパレータとほぼ平行に延びる多数の孔からな
る。この通路31、32の形成方法は、各拡散層を複数
層からなる拡散層としそのうちの1つの層の表面に溝状
の通路を形成しておき、その上に他の層を張り合わせる
ことにより、拡散層内部に孔の通路を容易に形成するこ
とができる。本発明の実施例1の作用・効果は、本発明
の全実施例に共通する作用のうち、通路31、32によ
る作用と同じである。Next, the structure peculiar to each embodiment of the present invention,
The operation will be described. In Example 1 of the present invention, as shown in FIG. 2, the separator 18 is a metal separator, and no conductive water repellent layer is formed on the metal separator. The surface of the metal separator may or may not be plated. However, even if the plating treatment is performed, the cost of precious metal plating does not increase, so it is not necessary. A passage 31 is formed in the diffusion layer 13, and a passage 32 is formed in the diffusion layer 15. Diffusion layers 13, 1
The passages 31 and 32 of No. 5 are composed of a large number of holes formed in the diffusion layers 13 and 15 and extending substantially parallel to the separator. The method of forming the passages 31 and 32 is such that each diffusion layer is made up of a plurality of diffusion layers and a groove-like passage is formed on the surface of one of the diffusion layers, and another layer is laminated on top of it. The holes can be easily formed inside the diffusion layer. The operation and effect of the first embodiment of the present invention is the same as the operation of the passages 31 and 32 among the operations common to all the embodiments of the present invention.
【0022】本発明の実施例2では、図3に示すよう
に、セパレータ18はメタルセパレータであり、メタル
セパレータには導電性撥水層は形成されていない。メタ
ルセパレータの表面にメッキ処理は施してあってもよい
し、あるいは施してなくてもよい。ただし、メッキ処理
を施す場合でも、貴金属メッキはコストアップになるの
でしない。拡散層13には通路31が形成され、拡散層
15には通路32が形成されている。拡散層13、15
の通路31、32は拡散層13、15の内部または表面
に形成された疎の層からなる。この通路31、32の形
成方法は、各拡散層を疎密が異なる複数層を張り合わせ
て構成した拡散層とし、そのうちの疎の層を通路31、
32として利用する。図3の例は各拡散層13、15
を、疎の1層を密の2層で挟んだ構成としたものを示し
ているが、構成はこれに限るものではなく、たとえば、
疎の層と密の層の2層構成とし疎の層をセパレータに密
着させてもよい。本発明の実施例2の作用・効果は、本
発明の全実施例に共通する作用のうち、通路31、32
による作用と同じである。In Example 2 of the present invention, as shown in FIG. 3, the separator 18 is a metal separator, and no conductive water repellent layer is formed on the metal separator. The surface of the metal separator may or may not be plated. However, even if the plating treatment is performed, the cost of precious metal plating does not increase, so it is not necessary. A passage 31 is formed in the diffusion layer 13, and a passage 32 is formed in the diffusion layer 15. Diffusion layers 13 and 15
The passages 31 and 32 are composed of sparse layers formed inside or on the surfaces of the diffusion layers 13 and 15. In the method of forming the passages 31 and 32, each diffusion layer is a diffusion layer formed by laminating a plurality of layers having different sparseness and denseness, and the sparse layer of the passages 31 and 32 is formed.
Used as 32. In the example of FIG. 3, the diffusion layers 13 and 15 are
Shows a configuration in which a sparse one layer is sandwiched between two dense layers, but the configuration is not limited to this, and, for example,
The sparse layer and the dense layer may have a two-layer structure, and the sparse layer may be adhered to the separator. The functions and effects of the second embodiment of the present invention are the same as those of all the embodiments of the present invention.
Is the same as the action by.
【0023】本発明の実施例3では、図4に示すよう
に、セパレータ18はメタルセパレータであり、メタル
セパレータには拡散層13、15との接触面に導電性撥
水層33、34が形成されている。メタルセパレータの
表面にメッキ処理は施してあってもよいし、あるいは施
してなくてもよい。ただし、メッキ処理を施す場合で
も、貴金属メッキはコストアップになるのでしない。拡
散層13には通路31が形成され、拡散層15には通路
32が形成されている。拡散層13、15の通路31、
32は、拡散層13、15の内部に形成された多数の孔
からなる通路、または疎密の層を重ねた拡散層13、1
5の内部または表面に形成された疎の層からなる。本発
明の実施例3の作用・効果は、本発明の全実施例に共通
する作用のうち、通路31、32による作用と、導電性
撥水層33、34による作用との両方の作用が得られ
る。In the third embodiment of the present invention, as shown in FIG. 4, the separator 18 is a metal separator, and conductive water repellent layers 33 and 34 are formed on the contact surface of the metal separator with the diffusion layers 13 and 15. Has been done. The surface of the metal separator may or may not be plated. However, even if the plating treatment is performed, the cost of precious metal plating does not increase, so it is not necessary. A passage 31 is formed in the diffusion layer 13, and a passage 32 is formed in the diffusion layer 15. The passages 31 of the diffusion layers 13, 15;
Reference numeral 32 denotes a passage formed of a large number of holes formed inside the diffusion layers 13 and 15, or the diffusion layers 13 and 1 in which dense and dense layers are stacked.
5 is composed of a sparse layer formed on the inside or the surface thereof. The function and effect of the third embodiment of the present invention are the same as those of all the embodiments of the present invention, and both the function of the passages 31 and 32 and the function of the conductive water-repellent layers 33 and 34 can be obtained. To be
【0024】本発明の実施例4では、図5に示すよう
に、セパレータ18はメタルセパレータであり、メタル
セパレータには拡散層13、15との接触面に導電性撥
水層33、34が形成されている。メタルセパレータの
表面にメッキ処理は施してあってもよいし、あるいは施
してなくてもよい。ただし、メッキ処理を施す場合で
も、貴金属メッキはコストアップになるのでしない。拡
散層13、15には通路31、32が形成されていな
い。本発明の実施例4の作用・効果は、本発明の全実施
例に共通する作用のうち、導電性撥水層33、34によ
る作用と同じである。In Example 4 of the present invention, as shown in FIG. 5, the separator 18 is a metal separator, and conductive water repellent layers 33 and 34 are formed on the contact surface of the metal separator with the diffusion layers 13 and 15. Has been done. The surface of the metal separator may or may not be plated. However, even if the plating treatment is performed, the cost of precious metal plating does not increase, so it is not necessary. Passages 31 and 32 are not formed in the diffusion layers 13 and 15. The operation and effect of the fourth embodiment of the present invention is the same as the operation of the conductive water-repellent layers 33 and 34 among the operations common to all the embodiments of the present invention.
【0025】[0025]
【発明の効果】請求項1、2の燃料電池によれば、セパ
レータに接する拡散層に反応ガス流れができるので、セ
パレータに接触する拡散層部分に水分が滞留せず、該拡
散層部分に接触する、表面が金属製のセパレータの腐食
を抑制できる。請求項3の燃料電池によれば、セパレー
タの、拡散層との接触部に導電性撥水層を形成したの
で、セパレータ表面が水分に濡れにくくなり、表面が金
属製のセパレータの腐食を抑制できる。According to the fuel cell of the first and second aspects, since the reaction gas can flow in the diffusion layer in contact with the separator, moisture does not stay in the diffusion layer portion in contact with the separator, and the diffusion layer portion is in contact with the diffusion layer portion. The corrosion of the separator whose surface is made of metal can be suppressed. According to the fuel cell of claim 3, since the conductive water-repellent layer is formed in the contact portion of the separator with the diffusion layer, the separator surface is hard to be wet with water, and the corrosion of the separator having a metal surface can be suppressed. .
【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】本発明の実施例1の燃料電池の(3セル分、3
モジュール分の)一部拡大断面図である。FIG. 2 shows the fuel cell of Example 1 of the present invention (for 3 cells, 3
It is a partial expanded sectional view (for a module).
【図3】本発明の実施例2の燃料電池の(1セル分、1
モジュール分の)一部拡大断面図である。FIG. 3 shows a fuel cell of Example 2 of the present invention (for one cell, 1
It is a partial expanded sectional view (for a module).
【図4】本発明の実施例3の燃料電池の(1セル分、1
モジュール分の)一部拡大断面図である。FIG. 4 shows a fuel cell of Example 3 of the present invention (for one cell, 1
It is a partial expanded sectional view (for a module).
【図5】本発明の実施例4の燃料電池の(3セル分、3
モジュール分の)一部拡大断面図である。FIG. 5 shows a fuel cell of Example 4 of the present invention (for 3 cells, 3
It is a partial expanded sectional view (for a module).
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
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)
29a 燃料ガス供給マニホールド
29b 燃料ガス排出マニホールド
30a 酸化ガス供給マニホールド
30b 酸化ガス排出マニホールド
31 通路(拡散層13に形成された通路)
32 通路(拡散層15に形成された通路)
33 導電性撥水層(拡散層13との接触面に形成され
たもの)
34 導電性撥水層(拡散層15との接触面に形成され
たもの)10 (Solid 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 Cell 17 Module 18 Separator 19 Cell Stack 20 Terminal 21 Insulator 22 End plate 23 Stack 24 Tension plate 25 Bolt 26 Fuel gas flow path (hydrogen flow path) 27 Oxidizing gas flow path (air flow path) 28 Refrigerant flow path (cooling water flow path when the refrigerant is water) 29a Fuel gas supply manifold 29b Fuel gas exhaust manifold 30a Oxidizing gas supply manifold 30b Oxidizing gas exhaust manifold 31 Passage (passage formed in diffusion layer 13) 32 Passage (passage formed in diffusion layer 15) 33 Conductive water repellent layer (with diffusion layer 13) What is formed on the contact surface) 34 Conductive water-repellent layer (diffusion layer 1) Those formed in the contact surface between)
Claims (3)
層に反応ガスの少なくとも一部の排出を行う通路を形成
した燃料電池。1. A fuel cell in which a passage for discharging at least a part of a reaction gas is formed in a diffusion layer whose surface is in contact with a separator made of metal.
層に反応ガスの少なくとも一部をセパレータのガス流路
を経由することなく直接セパレータ面外へ排出可能な通
路を形成した燃料電池。2. A fuel cell in which a passage is formed in a diffusion layer, the surface of which is in contact with a separator made of metal, so that at least a part of the reaction gas can be directly discharged to the outside of the separator without passing through the gas passage of the separator.
に導電性撥水層を形成した請求項1または請求項2記載
の燃料電池。3. The fuel cell according to claim 1, wherein a conductive water repellent layer is formed on a contact portion of the separator with the diffusion layer.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2001333896A JP2003142120A (en) | 2001-10-31 | 2001-10-31 | Fuel cell |
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2001333896A JP2003142120A (en) | 2001-10-31 | 2001-10-31 | Fuel cell |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2003142120A true JP2003142120A (en) | 2003-05-16 |
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ID=19149104
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JP (1) | JP2003142120A (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US7348086B2 (en) | 2001-12-11 | 2008-03-25 | Nissan Motor Co., Ltd. | Fuel cell |
-
2001
- 2001-10-31 JP JP2001333896A patent/JP2003142120A/en active Pending
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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US7348086B2 (en) | 2001-12-11 | 2008-03-25 | Nissan Motor Co., Ltd. | Fuel cell |
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