JP2004055220A - Separator of fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体高分子電解質型燃料電池のセパレータに関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、この種の燃料電池は、イオン導電性が付与された固体高分子電解質膜の両面に触媒を担持したガス拡散電極を両面に重ね合わせて発電セルを構成している。そして、この発電セルは複数個を接続して所定の電圧を得る。このため、発電セル間にセパレータを介在させ発電セルを積層してスタック化する。そして、セパレータの両側にそれぞれ燃料ガス及び酸化ガスを供給してそれぞれのガス拡散電極に燃料ガス及び酸化ガスを供給すると、固体高分子膜でのイオン導電と各ガス拡散電極の電気化学反応が進行して一対のガス拡散電極間に電圧が発生し、集電電極の機能を持つ両端側の一対のセパレータを介して外部回路に給電する。この様な発電においては、供給ガスを出来るだけ均等にガス拡散電極の電極面に供給することがガス利用率を高め、発電効率と出力性能を良くする。
【0003】
しかし、ガス拡散電極の全面に供給ガスが供給されるようにすると、セパレータとガス拡散電極との接触面積が無くなり、発生した電流の効率的な集電やガス拡散電極で発生する熱の除去が難しくなる。このため、セパレータとガス拡散電極の境界部分に、供給ガスの通流方向を規制する流路溝が設けられ、セパレータとガス拡散電極とをある割合に接触面積を保っている。セパレータ側に形成したこの流路溝部は、蛇行したサーペンタイン構成、あるいは複数本構成が特公昭50−8777号公報、特開平7−263003号公報等に記載されている。
そして、固体高分子電解質型燃料電池は、固体高分子電解質のイオン導電性を十分に発揮させて発電効率を高く維持するためには、供給するガスを加湿して供給ガス中の水蒸気濃度を高める必要があり、さらに、水素と酸素から水を生成する電気化学反応のエネルギーを電気量に変換するものであるため、カソード側において水が生成する。
【0004】
このため、供給ガスの流路溝には、反応上生成される水が下流側、特に出口側に多量に含有し、気液二相状態となってガス流路溝を塞いでしまい(この現象をフラッディングという)終には、ガス流れが停止して発電を停止する。このフラッディングを防止する技術の従来例としては、特開平10−106594号公報に記載されたものが知られている。図6は従来の固体高分子電解質型燃料電池の酸化ガスセパレータを示す。セパレータ1の溝部材2は、ガス拡散電極に対応した方形状でガス不透過性と導電性をして構成される。入口マニホールド3から酸化ガスが流入され、流路溝材2の溝を経た酸化ガスを出口マニホールド4より導出する。燃料ガスのセパレータ1も酸化ガスの入口マニホールド3および出口マニホールド4と互違いの位置に形成された入口マニホールド5及び出力マニホールド6より燃料ガスの流入と導出が行われる。流路溝材2の溝は、入口マニホールド3に直接に連通した入口側流路溝7Aと、上記出口マニホールド4に直接に連通した出口側流路溝8Bと、上記入口側流路溝7A及び出口側流路溝8Bとを連通した中間流路溝9とから構成されている。入口側流路溝7Aと出口側流路溝8Bとは格子状に形成され、中間流路溝9は、複数回折返した曲折形態に形成され、複数本の直線状に延びる独立流路群9A〜9Eと、折返し部に形成された格子状溝10A〜10Dとから構成されている。すなわち、入口側流路溝7Aと出口側流路溝8Bは、縦横に整列して形成された孤立突起a以外の領域がガス流路溝であり、独立流路群9A〜9Eは長延突起b以外の領域がガス流路溝である。また、折返し部の格子状溝10A〜10Dは、孤立突起c以外の領域がガス流路溝である。
【0005】
反応生成水によるフラッディングにより供給ガスの停滞を防止するため、過去より種々のガス流路溝が工夫され、ガス流路が格子状となるタイプと、入口から出口まで1本の流路とするタイプがあるが、格子状タイプは、フラッディングに達するような水溜まりは生じないが、全体に均一となるガス拡散性能、一部が閉塞するなど排水性能に劣る。また、1本流路タイプは、拡散性が良いが、流れ抵抗が増えてガス供給装置側の元圧を高くする必要を生じ補機動力が増加してシステム効率が低下する。
【0006】
そして、特開平10−106594号公報に記載されたものは、供給ガスの入口側流路溝部及び出口側流路溝部が縦横に整列して形成された孤立突起a以外の領域がガス流路溝であり格子状をなすため、電極へのガスの接触面積が広くなると共に、ガスが自由に移動でき、時間的に速く電極と接触する。従って、入口側流路溝部では供給ガスと電極との接触効率(面積的に広く及び時間的に速く接触)が高く入口側におけるガス拡散性の損失を回避し得る。また、出口側流路溝部では、入口側と同様のガス拡散性の損失を回避し、かつ流路断面積が広くなるため排水性を確保してフラッディングを防止することができると記述してある。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながらこの従来構成においては、入口側流路溝部ではガス拡散性を高め、この部分の反応を促進して全体の電気変換エネルギー効率を高めたため、入口側流路溝部での反応が集中し固体高分子電解質の膜やガス拡散電極の触媒層の劣化が進み耐久性に課題が残った。また、出口側流路溝部では、流路断面積が広くして排水性を確保してフラッディングを防止してあるが、流路断面積が広いためガスの流れが偏在し一様でなく、流速の遅い部分では生成水が流路溝の一部を閉塞した状態を発生し、この部分にはガスが供給できなく完全にフラッディングを防止できなかった。
【0008】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、入り口から出口に至る反応量を均一化させて耐久信頼性の向上と全体の電気変換エネルギー効率を高め、かつフラッディングを防止して信頼性を高めた燃料電池のセパレータを提供することを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】
前記従来の課題を解決するために、本発明の燃料電池のセパレータは、固体高分子電解質を挟持する一対のガス拡散電極と、前記ガス拡散電極のおのおのの面に燃料ガスと酸化ガスをそれぞれの入口側から出口側に導く流路溝を形成したセパレータより構成し、少なくとも一方の前記セパレータの前記流路溝は、前記入口側に位置する入口側流路溝部と前記出口側に位置する出口側流路溝部とからなり、前記入口側流路溝部から前記出口側流路溝部に連通するバイパス流路溝部を構成してある。
【0010】
これによって、各々の入口側から入った燃料ガスおよび酸化ガスは、途中で水となり順次質量を減じながら出口側にいたる、そのため、入口側における燃料ガスおよび酸化ガスのガス量は、出口側に比較して大変多くなる。
【0011】
前記入口側から前記出口側に連通するバイパス流路溝部を構成したことにより、入口側流路に入るガス量の一部は入口側流路部を通らずに直接出口側流路に流れる。そのため、流量の多い入口部でのガスの流速を小さく設計できるため拡散電極へのガス拡散を小さくでき、入口側部での過大な反応促進を低減できると共に、供給ガス流量が最も多く流れ抵抗が大きい入口側流路部の流速が小さいため全体の損失抵抗を小さくすることが可能となる。
【0012】
また、入口側と出口側の流速が近似でき電流密度の均一化と流れの損失抵抗の低減できる流路を構成できるものである。特に、負荷に合わせて、供給するガス流量を変化した場合も、この均一性が維持でき、耐久信頼性の向上と全体の電気変換エネルギー効率を高めることができる。
【0013】
そして、出口側流路溝部では、ガスの流速を大きく設計できるため、内部で発生した生成水をガスの動圧により外部に排出できる。このため、流路が水により閉塞するフラッディングを防止することが可能となる。
【0014】
【発明の実施の形態】
請求項1記載の発明は、固体高分子電解質を挟持する一対のガス拡散電極と、前記ガス拡散電極のおのおのの面に燃料ガスと酸化ガスをそれぞれの入口側から出口側に導く流路溝を形成したセパレータより構成し、少なくとも一方の前記セパレータの前記流路溝は、前記入口側に位置する入口側流路溝部と前記出口側に位置する出口側流路溝部とからなり、前記入口側流路溝部から前記出口側流路溝部に連通するバイパス流路溝部を構成してある。
【0015】
これによって、前記入口側から前記出口側に連通するバイパス流路溝部を構成したことにより、入口側流路に入るガス量の一部は入口側流路部を通らずに直接出口側流路に流れる。そのため、流量の多い入口部でのガスの流速を小さく設計できるため拡散電極へのガス拡散を小さくでき、入口側部での過大な反応促進を低減できると共に、供給ガス流量が最も多く流れ抵抗が大きい入口側流路部の流速が小さいため全体の損失抵抗を小さくすることが可能となる。
【0016】
また、入口側と出口側の流速が近似でき電流密度の均一化と流れの損失抵抗の低減できる流路を構成できるものである。特に、負荷に合わせて、供給するガス流量を変化した場合も、この均一性が維持でき、耐久信頼性の向上と全体の電気変換エネルギー効率を高めることができる。
【0017】
そして、出口側流路溝部では、ガスの流速を大きく設計できるため、内部で発生した生成水をガスの動圧により外部に排出できる。このため、流路が水により閉塞するフラッディングを防止することが可能となる。そして、供給ガス流量が最も多く流れ抵抗が大きい入口側流路部の流速が小さいため全体の損失抵抗を小さくすることが可能となるため、送風機の動力も小さくて済み、補機の動力が低減できシステム全体の効率が向上できる。
【0018】
請求項2記載の発明は、特に請求項1記載の燃料電池のセパレータに関し、供給ガスの出口側流路溝部の流路断面積は、入口側流路溝部とバイパス流路溝部の和の流路断面積よりも小さく構成してあるため、流量の少ない出口部でのガスの流速を大きく設計できるためガス拡散電極へのガス拡散を大きくでき、出口側部での反応促進を増大できる。このため、供給ガスの入口から出口に至る反応量を均一化させて各部分の電流密度を一定となり耐久信頼性の向上と全体の電気変換エネルギー効率を高めることができる。
【0019】
請求項3記載の発明は、特に請求項1〜2の燃料電池のセパレータを入口側流路溝部の入口側から出口側流路溝部の入口側にバイパス流路溝部を連通して構成したことにより、流量の最も多い入口側流路溝部の入口側でのガスの流速を小さく設計しガス拡散電極へのガス拡散を小さくしながら、発電のためには必ず流す必要のある出口側流路溝部の入口側から全部のガスを流すことにより設計どおりの電気化学反応が可能となる。このため、電流密度を小さく均一となり耐久信頼性の向上と全体の電気変換エネルギー効率を高めることができる。
【0020】
請求項4記載の発明は、特に請求項1〜3の燃料電池のセパレータを入口側流路溝部は少なくとも複数の流路で構成し、前記入口側流路溝部の少なくとも一部を合流後出口側流路溝部に連通したことにより、入口側流路溝部の流路パターンが同じでも、入口側流路溝部は出口側流路溝部に対して単位流路当りのガス拡散電極の面積を大幅に増加できるため、電流密度を小さく均一となり耐久信頼性の向上と全体の電気変換エネルギー効率を高めることができ、流路の設計自由度が向上し、加工も容易で安価となる。
【0021】
請求項5記載の発明は、特に請求項4の燃料電池のセパレータを入口側流路溝部の合流箇所を複数としたことにより、電流密度と電気化学反応により減少するガス流れの損失抵抗の分布に応じで最適な流路を構成できるものである。
【0022】
請求項6記載の発明は、特に請求項1〜5の燃料電池のセパレータを少なくとも一部のバイパス流路部をガス拡散電極と隔離して構成したことにより、このバイパス流路部では、反応を生じることがなく、入口流路部と出口流路部で全ての反応を行う。このため、バイパス流路部の冷却や電流密度を考慮する必要がなく、電流密度を小さく均一となり耐久信頼性の向上と全体の電気変換エネルギー効率を高めることができ、流路の設計自由度が向上し、加工も容易で安価となる。
【0023】
請求項7記載の発明は、特に請求項1〜6の燃料電池のセパレータを入口側流路溝部の流路断面積を出口側流路溝部の流路断面積よりも大きく構成してある。
【0024】
これによって、供給ガスの流量の多い入口側流路溝部でのガスの流速をより小さく設計できるため拡散電極へのガス拡散をさらに小さくでき、過大な反応促進を低減できると共に、供給ガス流量が最も多く流れ抵抗が大きい入口側流路部の流速が小さいため全体の損失抵抗を小さくすることが可能となる。また、供給ガスの出口側流路溝部の流路断面積入口側流路溝部の流路断面積よりも小さく構成してあるため、流量の少ない出口部でのガスの流速をさらに大きく設計できるため拡散電極へのガス拡散を大きくでき、出口側部での反応促進を増大できる。このため、供給ガスの入口から出口に至る反応量をさらに均一化させて各部分の電流密度が一定となり耐久信頼性の向上と全体の電気変換エネルギー効率を高めることができる。
【0025】
さらに、出口側流路溝部では、ガスの流速をさらに大きく設計できるため、内部で発生した生成水をガスの動圧により外部に排出できる。このため、流路が水により閉塞するフラッディングを防止することが可能となる。そして、供給ガス流量全体の損失抵抗を小さくすることが可能となるため、送風機の動力も小さくて済み、補機の動力が低減できシステム全体の効率が向上できる。
【0026】
請求項8記載の発明は、特に請求項7の燃料電池のセパレータを入口側流路溝部の溝幅を出口側流路溝部の溝幅より大きく構成して、前記入口側流路溝部の流路断面積は前記出口側流路溝部の流路断面積よりも大きくしたことにより、流量の多い入口部でのガスの流速を小さく設計し拡散電極へのガス拡散を小さくしながら、かつ、流路幅を拡大して広い拡散電極で反応することが可能となる。このため、電流密度を小さく均一となり耐久信頼性の向上と全体の電気変換エネルギー効率を高めることができる。また、セパレータはカーボン、または金属の薄板をプレス、射出成型等によりセパレータの一部の流路溝幅を大きく加工することは容易である。
【0027】
請求項9記載の発明は、特に請求項7の燃料電池のセパレータを入口側流路溝部の溝深さを出口側流路溝部の溝深さより大きく構成して、前記入口側流路溝部の流路断面積は前記出口側流路溝部の流路断面積よりも大きくし、流路を大幅に大きくすることが可能であり、流量の多い入口部でのガスの流速を小さく設計し拡散電極へのガス拡散を小さくしながら、かつ、流路に対抗して主に反応する拡散電極面積を供給ガスの入口から出口に至るまで均一な面積とでき、各部分の電流密度を一定とし耐久信頼性の向上と全体の電気変換エネルギー効率を高めることができる。また、セパレータはカーボン、または金属の薄板をプレス、射出成型等によりセパレータの一部の流路溝深さを大きく加工することは容易である。
【0028】
請求項10記載の発明は、特に請求項7〜9の燃料電池のセパレータを入口側流路溝部または出口側流路溝部の少なくとも一方の流路断面積を順次小さく構成したことにより、反応により減少するガス流量に応じて流路断面積を順次小さくして、流量の多い入口部から流量の最も少ない出口部まで、ガスの流速を一定に設計できる。このため、供給ガスの入口から出口に至る反応量を均一化させて各部分の電流密度を一定とし耐久信頼性の向上と全体の電気変換エネルギー効率を高めることができる。
【0029】
また、流路内を流れるガスは2H2+O2→2H2Oの反応によりガス流量は、順次減少する。流路断面積を順次小さく構成したことにより、供給ガス流量が最も多く流れ抵抗が大きい入口側流路部の流速が小さいため全体の損失抵抗を小さくすることが可能となる。そして、出口側流路溝部では、ガスの流速を大きく設計できるため、内部で発生した生成水をガスの動圧により外部に排出できるため、流路が水により閉塞するフラッディングを防止することができ、供給ガス流量が最も多く流れ抵抗が大きい入口側流路部の流速が小さいため全体の損失抵抗を小さくすることが可能となるため、送風機の動力も小さくて済み、補機の動力が低減できシステム全体の効率が向上できる。
【0030】
(実施例1)
図1は、本発明の第1の実施例における燃料電池のセパレータの全体構成図、図2は燃料電池全体の断面図を示す。図2において、固体高分子型の燃料電池は、イオン伝導性が付与された固体高分子電解質の膜11の両面に触媒を担持したガス拡散電極12を両面に重ね合わせて発電セルを構成している。そして、この発電セルは複数個を接続して所定の電圧を得る。このため、発電セル間にセパレータ1を介在させ発電セルを積層してスタック化する。そして、セパレータの両側にそれぞれ燃料ガス及び酸化ガスを供給してそれぞれのガス拡散電極12に燃料ガス及び酸化ガスを供給すると、固体高分子膜11でのイオン導電と各ガス拡散電極の電気化学反応が進行して一対のガス拡散電極12間に電圧が発生し、集電電極の機能を持つ両端側の一対のセパレータ1を介して外部回路(図示せず)に給電する。この様な発電においては、供給ガスを出来るだけ均等にガス拡散電極12の電極面に供給することがガス利用率を高め、発電効率と出力性能を良くする。
【0031】
図1に示すセパレータ1は、セパレータ1の流路溝2は、ガス拡散電極12に対応した形状としガス不透過性と導電性有するカーボン、表面処理をした金属を用いて構成する。入口マニホールド3から燃料または酸化ガスが流入され、流路溝2の溝を経た前記ガスを出口マニホールド4より流出する。他方酸化ガスまたは燃料ガスのセパレータ1はこのセパレータ1の背面側に同様の流れる構成を設け入口マニホールド5及び出力マニホールド6よりガスの流入と導出が行われる。これにより、固体高分子電解質の膜11を挟持する一対のガス拡散電極12のおのおのの面に燃料ガスと酸化ガスをそれぞれの入口側から出口側に導く流路溝2を形成したセパレータ1を構成している。
【0032】
そして、流路溝材2の溝は、入口側の入口マニホールド3に直接に連通した入口側流路溝部13と出口マニホールド4に直接に連通した出口側流路溝部14と、入口側流路溝部13から出口側流路溝部14に連通するバイパス流路溝部15を構成してある。入口側流路溝部13は、複数の溝で構成し入口マニホールド3に直接に連通し蛇行しなからバイパス流路溝部15との合流部16に至る。出口側流路溝部14も、複数の溝で構成し合流部16に連通し蛇行しなから出口マニホールド4に至る。バイパス流路溝部15は、複数の溝で構成し入口マニホールド3に直接に連通し出口側流路溝部14との合流部16に至る。
【0033】
以上のように構成された燃料電池のセパレータについて、以下その動作、作用を説明する。
【0034】
まず、入口マニホールド3から入口側流路溝部13に入った燃料ガスおよび酸化ガスは、途中の入口側流路溝部13と出口側流路溝部14を流れる時、ガス拡散電極に拡散して電気化学反応を行い、燃料ガスは消費され、酸化ガスは水となり順次質量を減じながら出口側流路溝部14に至り排出される。そのため、入口側における燃料ガスおよび酸化ガスのガス量は、出口側に比較して大変多くなる。
【0035】
入口マニホールド3から入るガス量の一部は入口側流路部13を流れ、残りのガスは入口側流路部13を通らずにバイパス流路溝部15を通って合流部16に流れ、この合流部16で入口側流路部13を流れたガスとバイパス流路溝部15を流れたガスが合流し、出口側流路溝部14から出口マニホールド4に至り排出する。このため、流量の多い入口部の入口側流路部13でのガスの流速を小さく設計できる。ガスのガス拡散電極12へのガス拡散はガスの流速が早くなると増加する。このため、ガス拡散電極12へのガス拡散を小さくでき、入口側の入口側流路部13での過大な反応促進を低減できると共に、供給ガス流量が最も多く流れ抵抗が大きい入口側流路溝部13の流速が小さいため全体の損失抵抗を小さくすることが可能となる。また、供給ガスの出口側流路溝部14の流路断面積は、入口側流路溝部13とバイパス流路溝部15の和の流路断面積よりも小さく構成できるため、(最適値は0.5〜0.7)流量の少ない出口部の出口側流路溝部14でのガスの流速を入口側と同じほど大きく設計できるためガス拡散電極12へのガス拡散を大きくでき、出口側の出口側流路溝部14での電気化学反応促進を増大できる。このため、供給ガスの入口から出口に至る電気化学反応量を均一化させて各部分の電流密度を一定となり耐久信頼性の向上と全体の電気変換エネルギー効率を高めることができる。
【0036】
また、発電する電気量は、実使用実態に合わせて増減コントロールする必要がある。そのため、負荷に応じて燃料ガスおよび酸化ガスのガス量を増減して調整する必要がある。入口側の入口側流路溝部13と出口側の出口側流路溝部14の流速が近似でき電流密度の均一化と流れの損失抵抗の低減できる流路を構成できるものであり、特に、負荷に合わせて供給するガス流量を変化した場合も、この均一性は維持できるため、耐久信頼性の向上と全体の電気変換エネルギー効率を高めることができる。
【0037】
そして、出口側流路溝部14では、ガスの流速を大きく設計できるため、内部で発生した生成水をガスの動圧により外部に排出できる。このため、流路が水により閉塞するフラッディングを防止することが可能となり、良好な運転範囲が拡大し安定性が向上する。
【0038】
そして、供給ガス流量が最も多く流れ抵抗が大きい入口側流路部の流速が小さいため全体の損失抵抗を小さくすることが可能となるため、送風機の動力も小さくて済み、補機の動力が低減できシステム全体の効率が向上できる。
【0039】
また、セパレータ1を入口側流路溝部13の入口側である入口マニホールド3から出口側流路溝部14の入口側である合流部16にバイパス流路溝部15をそれぞれ連通して構成したことにより、流量の最も多い入口側流路溝部13の入口側でのガスの流速を最も小さく設計しガス拡散電極12へのガス拡散を小さくしながら、発電のためには必ず流す必要のある出口側流路溝部14の入口側から全部のガスが流すことができ設計どおりの電気化学反応が可能となる。このため、電流密度を小さく均一となり耐久信頼性の向上と全体の電気変換エネルギー効率を高めることができる。
【0040】
(実施例2)
図3は、本発明の第2の実施例における燃料電池のセパレータの全体構成を示す。実施例1と異なるところは、セパレータ1を入口側流路溝部13は6流路13a〜fの複数で構成し、入口側流路溝部13の流路13a〜fを合流部16a16b16cでおのおの合流して後、出口側流路溝部14の流路14a〜cに連通してある。このことにより、入口側流路溝部13の流路パターンが同じでも、入口側流路溝部13は出口側流路溝部14に対して単位流路当りのガス拡散電極の面積を大幅に増加できる。このため、電流密度を小さく均一となり耐久信頼性の向上と全体の電気変換エネルギー効率を高めることができ、流路の設計自由度が向上し、加工も容易で安価となる。また、電気変換エネルギー効率が高いことは、セパレータを小さくできコンパクト化が可能となる。
【0041】
(実施例3)
図4は、本発明の第3の実施例における燃料電池のセパレータの全体構成を示す。実施例2と異なるところは、燃料電池のセパレータ1を入口側流路溝部13の合流箇所を16d、16eの2箇所と複数に構成してある。入口側流路溝部13、出口側流路溝部14のそれぞれの出口側のガス量は電気化学反応により入口側減少する。そのため、合流箇所16d、16eを複数として、順次流速を調整したことにより、電流密度と電気化学反応により減少するガス流れの損失抵抗の分布に応じで最適な流路を構成できるものである。合流箇所は数を増やすほど性能は向上する。
【0042】
(実施例4)
図5は、本発明の第4の実施例における燃料電池のセパレータの全体構成を示す。実施例1と異なるところは、燃料電池のセパレータ1のバイパス流路部15を流れる燃料ガスまたは酸化ガスを拡散させるガス拡散電極12と離し隔離して構成してある。具体的には、ガス拡散電極12は、入口側流路溝部13、出口側流路溝部14と、合流箇所15である流路部2に対向して構成し、、バイパス流路部15はパッキン部材17で片面を閉塞してある。このため、バイパス流路部15では、ガス拡散せず電気化学反応を生じることがない。そのため、バイパス流路部15の冷却や電流密度分布の均一化を考慮する必要がなく、電流密度を小さく均一となり耐久信頼性の向上と全体の電気変換エネルギー効率を高めることができ、流路の設計自由度が向上し、加工も容易で安価となる。
【0043】
また、セパレータ1のガスが流れる溝形状の断面積を順次小さくしてフラッディングを防止する方法は、特許第3272980号公報や特開平6−267564号公報に記載があるが、本発明の構成を加えることにより、電流密度の均一化とフラッディング抑制に対して効果がある。実施例1〜4において、セパレータ1を入口側流路溝部13の流路断面積を出口側流路溝部14の流路断面積よりも大きく構成することによって、供給ガスの流量の多い入口側流路溝部13でのガスの流速をより小さく設計できるためガス拡散電極12へのガス拡散をさらに小さくでき、過大な反応促進を低減できると共に、供給ガス流量が最も多く流れ抵抗が大きい入口側流路部13の流速が小さいため全体の損失抵抗を小さくすることが可能となる。また、供給ガスの出口側流路溝部14の流路断面積を入口側流路溝部の流路断面積よりも小さく構成してあるため、流量の少ない出口部でのガスの流速をさらに大きく設計できるためガス拡散電極12へのガス拡散を大きくでき、出口側部での反応促進を増大できる。このため、供給ガスの入口から出口に至る反応量をさらに均一化させて各部分の電流密度を一定となり耐久信頼性の向上と全体の電気変換エネルギー効率を高めることができる。そして、出口側流路溝部14では、ガスの流速をさらに大きく設計できるため、内部で発生した生成水をガスの動圧により外部に排出できる。このため、流路が水により閉塞するフラッディングを防止することが可能となる。そして、供給ガス流量全体の損失抵抗を小さくすることが可能となるため、送風機の動力も小さくて済み、補機の動力が低減できシステム全体の効率が向上できる。
【0044】
さらに、セパレータ1を入口側流路溝部13は出口側流路溝部14より溝幅を大きく構成して、入口側流路溝部13の流路断面積は出口側流路溝部14の流路断面積よりも大きくしたことにより、流量の多い入口部でのガスの流速を小さく設計しガス拡散電極12へのガス拡散を小さくしながら、かつ、流路幅を拡大して広い拡散電極で反応することが可能となる。このため、電流密度を小さく均一となり耐久信頼性の向上と全体の電気変換エネルギー効率を高めることができる。また、セパレータ1はカーボン、または金属の薄板をプレス、射出成型等によりセパレータの一部の流路溝幅を大きく加工することは容易である。
【0045】
また、セパレータ1を入口側流路溝部13は出口側流路溝部14の溝深さを大きく構成して、入口側流路溝部13の流路断面積は出口側流路溝部14の流路断面積よりも大きくし、流路を大幅に大きくすることが可能であり、流量の多い入口部でのガスの流速を小さく設計しガス拡散電極12へのガス拡散を小さくしながら、かつ、流路に対抗して主に反応する拡散電極面積を供給ガスの入口から出口に至るまで均一な面積とでき、各部分の電流密度を一定とし耐久信頼性の向上と全体の電気変換エネルギー効率を高めることができる。また、セパレータはカーボン、または金属の薄板をプレス、射出成型等によりセパレータの一部の流路溝深さを大きく加工することは容易である。
【0046】
そして、セパレータ1を入口側流路溝部13または出口側流路溝部14の少なくとも一方の流路断面積を順次小さく構成したことにより、反応により減少するガス流量に応じて流路断面積を順次小さくして、流量の多い入口部から流量の最も少ない出口部まで、ガスの流速を一定に設計できる。このため、供給ガスの入口から出口に至る反応量を均一化させて各部分の電流密度を一定となり耐久信頼性の向上と全体の電気変換エネルギー効率を高めることができる。そして、流路内を流れるガスは2H2+O2→2H2Oの反応によりガス流量は、順次減少する。流路断面積を順次小さく構成したことにより、供給ガス流量が最も多く流れ抵抗が大きい入口側流路部13の流速が小さいことにより全体の損失抵抗を小さくすることが可能となる。そして、出口側流路溝部14では、ガスの流速を大きく設計できるため、内部で発生した生成水をガスの動圧により外部に排出できるため、流路が水により閉塞するフラッディングを防止することができ、供給ガス流量が最も多く流れ抵抗が大きい入口側流路部13の流速が小さいため全体の損失抵抗を小さくすることが可能となるため、送風機の動力も小さくて済み、補機の動力が低減できシステム全体の効率が向上できる。
【0047】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、流量の多い入口側部での過大な反応促進を低減できると共に、全体の損失抵抗を小さくすることが可能となる。また、流量の少ない出口部でのガスの流速を大きく設計できるため反応促進を増大でき、反応量を均一化させて電流密度を一定とし耐久信頼性の向上と全体の電気変換エネルギー効率を高めることができる。そして、負荷に合わせてこの均一性が維持でき、耐久信頼性の向上と全体の電気変換エネルギー効率を高めることができる。また、出口側流路溝部では、ガスの流速を大きく設計できるため、内部で発生した生成水をガスの動圧により外部に排出できる。このため、流路が水により閉塞するフラッディングを防止することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施例における燃料電池のセパレータを示す全体構成図
【図2】本発明の第1の実施例における燃料電池全体の断面図
【図3】本発明の第2の実施例における燃料電池のセパレータを示す全体構成図
【図4】本発明の第3の実施例における燃料電池のセパレータを示す全体構成図
【図5】本発明の第4の実施例における燃料電池のセパレータを示す全体構成図
【図6】従来の燃料電池のセパレータを示す全体構成図
【符号の説明】
1 セパレータ
2 流路溝
3 入口マニホールド
4 出口マニホールド
13 入口側流路溝部
14 出口側流路溝部
15 バスパス流路溝部
16 合流部[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a separator for a polymer electrolyte fuel cell.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, this type of fuel cell has a power generation cell in which a gas diffusion electrode carrying a catalyst on both surfaces of a solid polymer electrolyte membrane provided with ionic conductivity is superposed on both surfaces. Then, a plurality of the power generation cells are connected to obtain a predetermined voltage. For this reason, a separator is interposed between the power generation cells, and the power generation cells are stacked and stacked. When the fuel gas and the oxidizing gas are supplied to both sides of the separator and the fuel gas and the oxidizing gas are supplied to the respective gas diffusion electrodes, the ionic conduction in the solid polymer membrane and the electrochemical reaction of each gas diffusion electrode progress. As a result, a voltage is generated between the pair of gas diffusion electrodes, and power is supplied to an external circuit via a pair of separators at both ends having a function of a current collecting electrode. In such power generation, supplying the supplied gas to the electrode surface of the gas diffusion electrode as evenly as possible increases the gas utilization rate and improves power generation efficiency and output performance.
[0003]
However, if the supply gas is supplied to the entire surface of the gas diffusion electrode, the contact area between the separator and the gas diffusion electrode is lost, so that the current generated efficiently and the heat generated in the gas diffusion electrode are removed. It becomes difficult. For this reason, a flow channel for regulating the flow direction of the supply gas is provided at the boundary between the separator and the gas diffusion electrode, and the contact area between the separator and the gas diffusion electrode is maintained at a certain ratio. The channel groove formed on the separator side has a meandering serpentine configuration or a plurality of this configuration described in Japanese Patent Publication No. 50-8777, Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-263003, and the like.
In order to maintain the high power generation efficiency by sufficiently exhibiting the ionic conductivity of the solid polymer electrolyte, the solid polymer electrolyte fuel cell increases the water vapor concentration in the supplied gas by humidifying the supplied gas. It is necessary to convert the energy of an electrochemical reaction for generating water from hydrogen and oxygen into an electric quantity, so that water is generated on the cathode side.
[0004]
For this reason, a large amount of water generated during the reaction is contained in the flow path groove of the supply gas on the downstream side, particularly on the outlet side, and a gas-liquid two-phase state is formed to block the gas flow path groove (this phenomenon). At the end, the gas flow stops and power generation stops. As a conventional example of the technique for preventing the flooding, a technique disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-106594 is known. FIG. 6 shows an oxidizing gas separator of a conventional solid polymer electrolyte fuel cell. The
[0005]
Various gas flow grooves have been devised from the past to prevent stagnation of the supply gas due to flooding with the reaction product water, and the gas flow path has a lattice shape, and the gas flow path has a single flow path from the inlet to the outlet. However, the grid type does not cause water pools to reach flooding, but is inferior in gas diffusion performance that is uniform throughout and drainage performance such as partial blockage. In addition, the single flow channel type has good diffusivity, but increases the flow resistance, which necessitates a higher original pressure on the gas supply device side, increases the power of auxiliary equipment, and lowers the system efficiency.
[0006]
Japanese Unexamined Patent Publication No. 10-106594 discloses that a region other than an isolated projection a in which an inlet-side flow channel portion and an outlet-side flow channel portion of a supply gas are arranged vertically and horizontally is a gas flow channel. Therefore, since the contact area of the gas with the electrode is increased, the gas can move freely, and the electrode is quickly contacted with the electrode. Therefore, the contact efficiency between the supply gas and the electrode (the contact area is large and the contact time is fast) is high in the inlet-side channel groove, and loss of gas diffusibility on the inlet side can be avoided. In addition, it is described that in the outlet-side channel groove portion, the same loss of gas diffusivity as in the inlet side can be avoided, and since the cross-sectional area of the channel becomes wider, drainage can be secured and flooding can be prevented. .
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
However, in this conventional configuration, gas diffusion is enhanced in the inlet-side channel groove, and the reaction in this portion is promoted to increase the overall electric conversion energy efficiency. Deterioration of the molecular electrolyte membrane and the catalyst layer of the gas diffusion electrode progressed, and there was a problem in durability. In addition, in the outlet-side channel groove, flooding is prevented by widening the channel cross-sectional area to ensure drainage.However, since the flow channel cross-sectional area is large, the gas flow is unevenly distributed, and the flow velocity is not uniform. In the slow part, the generated water blocked a part of the channel groove, and gas could not be supplied to this part, so that flooding could not be completely prevented.
[0008]
The present invention solves the above-mentioned conventional problems, in which the reaction amount from the entrance to the exit is made uniform, thereby improving the durability reliability and the overall electric conversion energy efficiency, and preventing flooding to improve the reliability. It is an object to provide an enhanced fuel cell separator.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the conventional problem, the fuel cell separator of the present invention includes a pair of gas diffusion electrodes sandwiching a solid polymer electrolyte, and a fuel gas and an oxidizing gas on each surface of the gas diffusion electrodes. The separator is formed with a flow path groove leading from the inlet side to the outlet side, and the flow path groove of at least one of the separators is an inlet side flow groove portion located on the inlet side and an outlet side located on the outlet side. And a bypass channel groove communicating with the outlet-side channel groove from the inlet-side channel groove.
[0010]
As a result, the fuel gas and oxidizing gas entering from each inlet side turn into water on the way and gradually decrease in mass and reach the outlet side. Therefore, the amounts of the fuel gas and the oxidizing gas at the inlet side are compared with those at the outlet side. And very much.
[0011]
By forming the bypass flow passage groove portion communicating from the inlet side to the outlet side, a part of the gas amount entering the inlet flow passage flows directly to the outlet flow passage without passing through the inlet flow passage portion. Therefore, the gas flow rate at the inlet part where the flow rate is high can be designed to be small, so that the gas diffusion to the diffusion electrode can be reduced, and excessive reaction promotion at the inlet side part can be reduced. Since the flow velocity in the large inlet-side flow path is small, the overall loss resistance can be reduced.
[0012]
In addition, the flow paths on the inlet side and the outlet side can be approximated, and a flow path can be formed that can make the current density uniform and reduce the flow loss resistance. In particular, even when the supplied gas flow rate is changed in accordance with the load, this uniformity can be maintained, and the durability reliability can be improved and the overall electric conversion energy efficiency can be increased.
[0013]
In the outlet-side channel groove, the gas flow rate can be designed to be large, so that the generated water generated inside can be discharged to the outside by the dynamic pressure of the gas. For this reason, it is possible to prevent flooding in which the flow path is blocked by water.
[0014]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
The invention according to
[0015]
With this, by configuring the bypass channel groove portion communicating from the inlet side to the outlet side, a part of the gas amount entering the inlet side channel directly passes through the inlet side channel portion to the outlet side channel portion without passing through the inlet side channel portion. Flows. Therefore, the gas flow rate at the inlet part where the flow rate is high can be designed to be small, so that the gas diffusion to the diffusion electrode can be reduced, and excessive reaction promotion at the inlet side part can be reduced. Since the flow velocity in the large inlet-side flow path is small, the overall loss resistance can be reduced.
[0016]
In addition, the flow paths on the inlet side and the outlet side can be approximated, and a flow path can be formed that can make the current density uniform and reduce the flow loss resistance. In particular, even when the supplied gas flow rate is changed in accordance with the load, this uniformity can be maintained, and the durability reliability can be improved and the overall electric conversion energy efficiency can be increased.
[0017]
In the outlet-side channel groove, the gas flow rate can be designed to be large, so that the generated water generated inside can be discharged to the outside by the dynamic pressure of the gas. For this reason, it is possible to prevent flooding in which the flow path is blocked by water. In addition, the flow rate of the inlet-side flow passage section where the flow rate of the supply gas is the largest and the flow resistance is large is small, so that the overall loss resistance can be reduced. Therefore, the power of the blower can be reduced and the power of the auxiliary equipment can be reduced. The efficiency of the entire system can be improved.
[0018]
The second aspect of the present invention relates to the fuel cell separator of the first aspect, wherein the flow path cross-sectional area of the supply gas outlet side flow path groove is a sum of the inlet side flow path groove section and the bypass flow path groove section. Since it is configured to be smaller than the cross-sectional area, it is possible to design the flow velocity of the gas at the outlet part where the flow rate is small, so that the gas diffusion to the gas diffusion electrode can be increased and the reaction promotion at the outlet side part can be increased. For this reason, the reaction amount from the inlet to the outlet of the supply gas is made uniform, the current density of each part becomes constant, and the durability reliability and the overall electric conversion energy efficiency can be improved.
[0019]
The invention according to
[0020]
The invention according to
[0021]
The invention according to
[0022]
In the invention according to
[0023]
In the invention according to claim 7, the separator of the fuel cell according to any one of
[0024]
As a result, the gas flow rate at the inlet-side channel groove portion where the flow rate of the supply gas is large can be designed to be smaller, so that the gas diffusion to the diffusion electrode can be further reduced, and excessive reaction promotion can be reduced. Since the flow velocity in the inlet-side flow passage portion having a large flow resistance is small, the overall loss resistance can be reduced. Also, since the cross-sectional area of the supply gas outlet-side channel groove is configured to be smaller than the flow-path cross-sectional area of the inlet-side channel groove, the gas flow rate at the outlet with a smaller flow rate can be designed to be even larger. The gas diffusion to the diffusion electrode can be increased, and the promotion of the reaction at the outlet side can be increased. For this reason, the reaction amount from the inlet to the outlet of the supply gas is made more uniform, the current density of each part becomes constant, the durability reliability can be improved, and the overall electric conversion energy efficiency can be increased.
[0025]
Furthermore, in the outlet-side channel groove, the flow velocity of the gas can be designed to be further increased, so that the generated water generated inside can be discharged to the outside by the dynamic pressure of the gas. For this reason, it is possible to prevent flooding in which the flow path is blocked by water. Since the loss resistance of the entire supply gas flow rate can be reduced, the power of the blower can be reduced, the power of the auxiliary equipment can be reduced, and the efficiency of the entire system can be improved.
[0026]
The invention according to claim 8 is that the fuel cell separator according to claim 7 is configured such that the width of the inlet-side flow groove is larger than the width of the outlet-side flow groove, and the flow path of the inlet-side flow groove is formed. The cross-sectional area is made larger than the cross-sectional area of the outlet-side channel groove, so that the gas flow rate at the inlet portion with a large flow rate is designed to be small to reduce gas diffusion to the diffusion electrode, and The width can be increased and the reaction can be performed with a wide diffusion electrode. For this reason, the current density is small and uniform, so that the durability reliability can be improved and the overall electric conversion energy efficiency can be increased. In addition, it is easy to press a thin plate made of carbon or metal by press molding, injection molding, or the like to increase the width of a part of the flow channel groove of the separator.
[0027]
According to a ninth aspect of the present invention, in particular, the fuel cell separator of the seventh aspect is configured such that the depth of the inlet-side flow groove is larger than the depth of the outlet-side flow groove, and the flow rate of the inlet-side flow groove is increased. The cross-sectional area of the passage is larger than the cross-sectional area of the outlet-side channel groove, and the flow path can be significantly increased. The diffusion electrode area that reacts mainly against the flow path can be made uniform from the inlet to the outlet of the supply gas while reducing the gas diffusion of the gas, and the current density of each part is constant and the durability is high. And the overall electric conversion energy efficiency can be increased. Further, it is easy to increase the depth of the channel groove of a part of the separator by pressing, injection molding, or the like a thin plate made of carbon or metal.
[0028]
The invention according to
[0029]
The gas flowing in the flow path is 2H 2 + O 2 → 2H 2 Due to the reaction of O, the gas flow rate gradually decreases. By sequentially reducing the cross-sectional area of the flow path, the flow loss in the inlet-side flow path section having the largest supply gas flow rate and the highest flow resistance is small, so that the overall loss resistance can be reduced. In the outlet-side channel groove, the flow velocity of the gas can be designed to be large, so that the generated water generated inside can be discharged to the outside by the dynamic pressure of the gas, so that flooding in which the channel is blocked by water can be prevented. Since the flow rate at the inlet side flow passage section where the supply gas flow rate is the largest and the flow resistance is large is small, it is possible to reduce the overall loss resistance, so the power of the blower can be reduced and the power of the auxiliary equipment can be reduced. The efficiency of the entire system can be improved.
[0030]
(Example 1)
FIG. 1 is an overall configuration diagram of a fuel cell separator according to a first embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a sectional view of the entire fuel cell. In FIG. 2, a solid polymer type fuel cell comprises a power generation cell in which a
[0031]
In the
[0032]
The grooves of the
[0033]
The operation and operation of the fuel cell separator configured as described above will be described below.
[0034]
First, when the fuel gas and the oxidizing gas which have entered the inlet-
[0035]
Part of the amount of gas entering from the
[0036]
In addition, it is necessary to control the amount of generated electricity to increase or decrease according to the actual usage. Therefore, it is necessary to increase or decrease the amounts of the fuel gas and the oxidizing gas in accordance with the load. The flow path of the inlet-side
[0037]
In the outlet-side
[0038]
In addition, the flow rate of the inlet-side flow passage section where the flow rate of the supply gas is the largest and the flow resistance is large is small, so that the overall loss resistance can be reduced. Therefore, the power of the blower can be reduced and the power of the auxiliary equipment can be reduced. The efficiency of the entire system can be improved.
[0039]
Further, the
[0040]
(Example 2)
FIG. 3 shows an overall configuration of a fuel cell separator according to a second embodiment of the present invention. The difference from the first embodiment is that the
[0041]
(Example 3)
FIG. 4 shows an overall configuration of a fuel cell separator according to a third embodiment of the present invention. The difference from the second embodiment is that the
[0042]
(Example 4)
FIG. 5 shows an overall configuration of a fuel cell separator according to a fourth embodiment of the present invention. The difference from the first embodiment is that the fuel cell and the
[0043]
Further, a method of preventing the flooding by sequentially reducing the cross-sectional area of the groove shape through which the gas of the
[0044]
Further, the
[0045]
In addition, the
[0046]
The
[0047]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, it is possible to reduce excessive reaction promotion at the inlet side where the flow rate is large and to reduce the overall loss resistance. In addition, since the flow rate of gas at the outlet with a small flow rate can be designed to be large, the promotion of reaction can be increased, the reaction amount is made uniform, the current density is made constant, the durability reliability is improved, and the overall electric conversion energy efficiency is increased. Can be. This uniformity can be maintained according to the load, and the durability reliability can be improved and the entire electric conversion energy efficiency can be increased. In the outlet-side channel groove, the flow velocity of the gas can be designed to be large, so that the generated water generated inside can be discharged to the outside by the dynamic pressure of the gas. For this reason, it is possible to prevent flooding in which the flow path is blocked by water.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an overall configuration diagram showing a fuel cell separator according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a sectional view of the entire fuel cell according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 3 is an overall configuration diagram showing a fuel cell separator according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 4 is an overall configuration diagram showing a fuel cell separator according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 5 is an overall configuration diagram showing a fuel cell separator according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 6 is an overall configuration diagram showing a conventional fuel cell separator.
[Explanation of symbols]
1 separator
2 Channel groove
3 Inlet manifold
4 Exit manifold
13 Inlet-side channel groove
14 Outlet side channel groove
15 Bus path channel groove
16 junction
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