JP2004342442A

JP2004342442A - Fuel cell separator

Info

Publication number: JP2004342442A
Application number: JP2003137101A
Authority: JP
Inventors: Hiroya Nakaji; 宏弥中路; Toshiyuki Suzuki; 稔幸鈴木; Yasuyuki Asai; 康之浅井; Takeshi Takahashi; 剛高橋; Kazutomo Kato; 千智加藤; Naohiro Takeshita; 直宏竹下
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2003-05-15
Filing date: 2003-05-15
Publication date: 2004-12-02

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell separator of which, reduction of pressure loss, a gas diffusion property, gas supplying property, and draining property are improved by reducing the size of protrusions, capable of restraining an increase of contact resistance and lowering of power generation capacity. <P>SOLUTION: On the fuel cell separator, (1) a width of an anode side gas flow path is broader than a width of a cathode side gas flow path, and (2) the size of a protrusion 32 for the anode side gas flow path is smaller than the size of a protrusion 33 for the cathode side gas flow path, and (3) pressure loss at the gas flow path between manifolds is made small. (4) The fuel cell is a solid polymer electrolyte fuel cell, and (5) the protrusion 32 for the anode side gas flow path and the protrusion 33 for the cathode side gas flow path are located so as to face each other. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は燃料電池（たとえば、固体高分子電解質型燃料電池などの低温型燃料電池）のセパレータに関する。
【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−ＥｌｅｃｔｒｏｄｅＡｓｓｅｍｂｌｙ）とセパレータとの積層体からなる。膜−電極アッセンブリは、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、燃料極）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、空気極）とからなる。膜−電極アッセンブリとセパレータとの間には、アノード側、カソード側にそれぞれ拡散層が設けられる。セパレータには、アノードに燃料ガス（水素）を供給するための燃料ガス流路が形成され、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ている。また、セパレータには冷媒（通常、冷却水）を流すための冷媒流路も形成されている。膜−電極アッセンブリとセパレータを重ねてセルを構成し、少なくとも１つのセルからモジュールを構成し、モジュールを積層してセル積層体とし、セル積層体のセル積層方向両端に、ターミナル、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、セル積層方向に延びる締結部材（たとえば、テンションプレート）、ボルト・ナットにて固定して、スタックを構成する。
各セルの、アノード側では、水素を水素イオン（プロトン）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、またはスタックのセル積層方向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スタックの他端のセルのカソードにくる）から水を生成するつぎの反応が行われる。
アノード側：Ｈ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻
カソード側：２Ｈ^＋＋２ｅ⁻＋（１／２）Ｏ_２→Ｈ_２Ｏ
【０００３】
上記反応が正常に行われるには、電解質膜が適当に湿潤していること、反応ガスが電極に十分拡散、供給されること、過度の水滴は反応ガス流路から除去されることが、必要がある。
特開２００１−１４３７２５号公報は、燃料電池のセパレータに多数の突起を設けて反応ガスの電極へのガス拡散性、供給性をよくするとともに、排水性も向上させた燃料電池を開示している。
従来の燃料電池のセパレータでは、ＭＥＡを挟んで対向するアノード側セパレータの突起とカソード側セパレータの突起とが、互いに同じサイズで同じピッチの突起であるため、圧力損失の低減、ガス拡散性、供給性、排水性の向上等を狙って突起のサイズ（突起高さ方向と直交する方向のサイズ）を小にする場合、アノード側セパレータの突起とカソード側セパレータの突起とを同時に小さくしていた。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００１−１４３７２５号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、圧力損失の低減、ガス拡散性、供給性、排水性の向上等のために、アノード側セパレータの突起とカソード側セパレータの突起のサイズを小さくすると、当然に突起の拡散層に押圧接触される面積が小さくなり、接触抵抗の増加、発電性能の低下を招く。
とくに、小さくしたアノード側セパレータの突起と同量小さくしたカソード側セパレータの突起が、製造誤差などにより互いに対向する位置からずれると、突起の拡散層に押圧接触される面積が、上記の突起サイズの低減によって当然に縮小される押圧接触面積よりも、さらに小さくなり、結果として、さらなる接触抵抗の増加、発電性能の低下を招く。
本発明の目的は、突起サイズを小さくして圧力損失の低減、ガス拡散性、供給性、排水性の向上をはかるとともに、アノード側セパレータの突起とカソード側セパレータの突起が、製造誤差などによって、互いに対向する位置からずれることにより、さらなる接触抵抗の増加、発電性能の低下を抑制することができる、燃料電池のセパレータを提供することにある。
【０００６】
【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）燃料電池のセパレータであって、アノード側ガス流路幅をカソード側ガス流路幅より大とした燃料電池のセパレータ。
（２）燃料電池のセパレータであって、アノード側ガス流路用突起のサイズをカソード側ガス流路用突起のサイズより小とした燃料電池のセパレータ。
（３）燃料電池のセパレータであって、マニホールド間アノード側ガス流路圧損対マニホールド間カソード側ガス流路圧損の値を従来セパレータのマニホールド間アノード側ガス流路圧損対マニホールド間カソード側ガス流路圧損の値より小とした燃料電池のセパレータ。
（４）前記燃料電池は、固体高分子電解質型燃料電池である（１）ないし（３）の何れかに記載の燃料電池のセパレータ。
（５）アノード側ガス流路用突起とカソード側ガス流路用突起とは相対向する位置に設けられる（１）ないし（３）の何れかに記載の燃料電池のセパレータ。
【０００７】
上記（１）、（４）、（５）の燃料電池のセパレータでは、アノード側ガス流路幅をカソード側ガス流路幅より大としたので、アノード側ガス流路における圧力損失の低減、ガス拡散性、供給性、排水性の向上をはかることができる。また、製造誤差などによりアノード側セパレータの突起が狙った位置からずれても、なおカソード側セパレータの突起に対向する位置にあり、突起同士が相対向する位置からずれることによる接触抵抗の増加、発電性能の低下はない。
上記（２）、（４）、（５）の燃料電池のセパレータでは、アノード側ガス流路用突起のサイズをカソード側ガス流路用突起のサイズより小としたので、アノード側ガス流路における圧力損失の低減、ガス拡散性、供給性、排水性の向上をはかることができる。また、製造誤差などによりアノード側セパレータが狙った位置からずれても、なおカソード側セパレータの突起に対向する位置にあり、突起同士が相対向する位置からずれることによる接触抵抗の増加、発電性能の低下はない。
上記（３）、（４）、（５）の燃料電池のセパレータでは、マニホールド間アノード側ガス流路圧損対マニホールド間カソード側ガス流路圧損の値を従来セパレータのマニホールド間アノード側ガス流路圧損対マニホールド間カソード側ガス流路圧損の値より小としたので、アノード側ガス流路におけるガス拡散性、供給性、排水性の向上をはかることができる。また、製造誤差などによりアノード側セパレータが狙った位置からずれても、なおカソード側セパレータの突起に対向する位置にあり、突起同士が相対向する位置からずれることによる接触抵抗の増加、発電性能の低下はない。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の燃料電池を図１〜図７を参照して説明する。ただし、図７は比較例であり、本発明には含まれない。
本発明で対象となる燃料電池は低温型燃料電池であり、たとえば固体高分子電解質型燃料電池１０である。該燃料電池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。
【０００９】
固体高分子電解質型燃料電池１０は、図１、図２に示すように、膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ−ＥｌｅｃｔｒｏｄｅＡｓｓｅｍｂｌｙ）とセパレータ１８との積層体からなる。膜−電極アッセンブリは、イオン交換膜からなる電解質膜１１と、この電解質膜の一面に配置された触媒層１２からなる電極（アノード、燃料極）１４および電解質膜１１の他面に配置された触媒層１５からなる電極（カソード、空気極）１７とからなる。膜−電極アッセンブリとセパレータ１８との間には、アノード側、カソード側にそれぞれ拡散層１３、１６が設けられる。
膜−電極アッセンブリとセパレータ１８を重ねてセル１９を構成し、少なくとも１つのセルからモジュールを構成し、モジュールを積層してセル積層体とし、セル積層体のセル積層方向両端に、ターミナル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２４）、ボルト・ナット２５にて固定して、スタック２３を構成する。図２は２セルで１モジュールを構成した場合を示しているが、これに限るものではなく、１セルで１モジュールを構成してもよいし、または、３以上のセルで１モジュールを構成してもよい。また、セルの「積層」の方向は、上下方向でもよいし、水平方向でもよいし、あるいは斜め方向でもよい。
【００１０】
セパレータ１８は、カーボン、またはメタル、または導電性樹脂、またはメタルと樹脂フレーム、の何れかまたはその組み合わせからなる。図示例はカーボンセパレータの場合を示している。ただし、セパレータ１８は、カーボン製に限るものではない。
【００１１】
セパレータ１８には、アノード１４に燃料ガス（水素）を供給するための燃料ガス流路２７が形成され、カソード１７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２８が形成されている。燃料ガスも酸化ガスも、反応ガスである。また、セパレータには冷媒（通常、冷却水）を流すための冷媒流路２６も形成されている。冷媒流路２６はセル毎に、または１以上のセル毎に（たとえば、モジュール毎に）設けられている。
【００１２】
セパレータ１８に形成される燃料ガス流路２７は、セパレータ１８の拡散層に接触する側の面に形成された突起３２の間に形成される。セパレータ１８に形成される酸化ガス流路２８は、セパレータ１８の拡散層に接触する側の面に形成された突起３３の間に形成される。突起３２、３３の先端面は、拡散層１３、１６を押圧し、拡散層１３、１６と接触している。突起３２、３３は、ガス流れ方向に、連続した突起（リブ状の突起）であってもよいし、あるいは非連続の突起であってもよい。また、非連続の突起の場合、突起３２、３３の先端のセル面（セパレータ面）と平行な面内の形状は、正方形、矩形などであってもよいし、円形であってもよいし、あるいはその他の形状（楕円形、台形、菱形、三角形、多角形など）であってもよい。
【００１３】
図３に示すように、セパレータ１８には、セル積層方向に貫通する、冷媒マニホールド２９、燃料ガスマニホールド３０、酸化ガスマニホールド３１が設けられる。
燃料電池の発電領域のガス流路（燃料ガス流路２７、酸化ガス流路２８）とガスマニホールド（燃料ガスマニホールド３０、酸化ガスマニホールド３１）とは、接続され、互いに連通されている。燃料電池の発電領域とは、電解質膜１１と燃料ガス流路２７、酸化ガス流路２８が存在する領域で、発電が実行される領域である。
【００１４】
冷媒マニホールド２９は入側２９ａと出側２９ｂを有し、冷媒は入側２９ａからセル内の冷媒流路２６を通って出側２９ｂへ流れる。
燃料ガスマニホールド３０は入側３０ａと出側３０ｂを有し、燃料ガスは入側３０ａからセル内の燃料ガス流路２７を通って出側３０ｂへ流れる。
酸化ガスマニホールド３１は入側３１ａと出側３１ｂを有し、酸化ガスは入側３１ａからセル内の酸化ガス流路２８を通って出側３１ｂへ流れる。
各種マニホールドは、入側、出側マニホールドの各々において、１つのマニホールドから構成されてもよいし、あるいは、複数の同種マニホールドから構成されていてもよい。
【００１５】
図４に示すように、燃料電池１０（たとえば、固体高分子電解質型燃料電池）のセパレータ１８において、アノード側ガス流路（燃料ガス流路２７）の幅Ｗ_１は、カソード側ガス流路（酸化ガス流路２８）の幅Ｗ_２より大としてある。
上記のアノード流路＞カソード流路は、寸法公差を管理することによりアノード流路＞カソード流路となるものを含む。
【００１６】
また、燃料電池１０（たとえば、固体高分子電解質型燃料電池）のセパレータ１８において、アノード側ガス流路（燃料ガス流路２７）用突起３２のサイズ（セパレータ面に平行な方向のサイズ）Ｄ_１は、カソード側ガス流路（酸化ガス流路２８）用突起３３のサイズ（セパレータ面に平行な方向のサイズ）Ｄ_２より小としてある。
上記の突起サイズの大小関係は、突起寸法の公差を管理してＤ_１＜Ｄ_２となっているものを含む。
【００１７】
また、燃料電池１０（たとえば、固体高分子電解質型燃料電池）のセパレータ１８において、マニホールド３０ａ、３０ｂ間アノード側ガス流路（燃料ガス流路２７）圧損対マニホールド３１ａ、３１ｂ間カソード側ガス流路（酸化ガス流路２８）圧損の値は、従来セパレータのマニホールド間アノード側ガス流路圧損対マニホールド間カソード側ガス流路圧損の値より小としてある。たとえば、酸化ガス流路２８圧損を従来のままとし、燃料ガス流路２７の圧損を従来より小として、燃料ガス流路２７の圧損／酸化ガス流路２８圧損の比の値を、従来セパレータの燃料ガス流路の圧損／酸化ガス流路の圧損の比の値より小としてある。
【００１８】
また、アノード側ガス流路用突起３２とカソード側ガス流路用突起３３とは、ＭＥＡを挟んで、相対向する位置に設けられている。図５、図６に示すように、アノード側ガス流路用突起３２の先端面全域が、カソード側ガス流路用突起３３の先端面の対向範囲内に位置するようにしてある。望ましくは、アノード側ガス流路用突起３２の中心と、アノード側ガス流路用突起３２より大きなサイズのカソード側ガス流路用突起３３の中心とは一致しているが、製造誤差などによりずれて、アノード側ガス流路用突起３２の中心とカソード側ガス流路用突起３３の中心とがずれても、アノード側ガス流路用突起３２の先端面全域が、カソード側ガス流路用突起３３の先端面の対向範囲内に位置するようにしてある。
【００１９】
つぎに、本発明の燃料電池のセパレータの作用を説明する。
図７は、アノード側ガス流路用突起３２’とカソード側ガス流路用突起３３’とが同じ形状で同じ面積を有する比較例を示している。図７の例で、アノード側ガス流路用突起の中心とカソード側ガス流路用突起の中心が製造誤差などによりずれると、突起先端のうち拡散層を押圧する部分（対向する突起がＭＥＡを挟持し押圧して接触電気抵抗小が得られる部分、図７において斜線を施した部分）の面積が突起先端面積に比べて大幅に減少し、接触抵抗増加、燃料電池出力低下を生じるおそれがあることを示している。
これに対し、図６は本発明を示し、アノード側ガス流路用突起３２の先端面の面積を小さくすることにより突起３２の先端の拡散層１３押圧面積低下は当然生じるが、突起３２先端が突起３３先端の対向領域から外れることがないため、突起３２の先端は全域で突起３３先端との間に拡散層を押圧し、図７のような突起３２の先端が突起３３先端からずれることによる、突起３２の拡散層押圧面積の低下と、それによる接触抵抗増加、燃料電池出力低下が生じないことを示している。
【００２０】
アノード側ガス流路幅Ｗ_１をカソード側ガス流路幅Ｗ_２より大としたので、アノード側ガス流路２７における圧力損失の低減、アノードへの燃料ガス拡散性、供給性、アノード側ガス流路２７からの排水性の向上がはかられる。また、製造誤差などによりアノード側セパレータの突起３２が狙った位置（突起３２の中心が突起３３の中心と一致する位置）からずれても、なおカソード側セパレータの突起３３に対向する位置にあり、突起３２の先端面が突起３３の先端面の対向位置からずれることによる、接触抵抗の増加、発電性能の低下は抑制される。
【００２１】
また、アノード側ガス流路用突起３２のサイズＤ_１をカソード側ガス流路用突起３３のサイズＤ_２より小としたので、アノード側ガス流路２７における圧力損失の低減、ガス拡散性、供給性、排水性の向上をはかることができる。また、製造誤差などによりアノード側セパレータの突起３２が狙った位置（突起３２の中心が突起３３の中心と一致する位置）からずれても、なおカソード側セパレータの突起３３に対向する位置にあり、突起３２の先端面が突起３３の先端面の対向位置からずれることによる、接触抵抗の増加、発電性能の低下は抑制される。
【００２２】
また、マニホールド間アノード側ガス流路圧損対マニホールド間カソード側ガス流路圧損の値を従来セパレータのマニホールド間アノード側ガス流路圧損対マニホールド間カソード側ガス流路圧損の値より小としたので、アノード側ガス流路２７におけるガス拡散性、供給性、排水性の向上をはかることができる。また、製造誤差などによりアノード側セパレータの突起３２が狙った位置（突起３２の中心が突起３３の中心と一致する位置）からずれても、なおカソード側セパレータの突起３３に対向する位置にあり、突起３２の先端面が突起３３の先端面の対向位置からずれることによる、接触抵抗の増加、発電性能の低下は抑制される。
【００２３】
【発明の効果】
請求項１、４、５の燃料電池のセパレータによれば、アノード側ガス流路幅をカソード側ガス流路幅より大としたので、アノード側ガス流路における圧力損失の低減、ガス拡散性、供給性、排水性の向上をはかることができる。また、製造誤差などによりアノード側セパレータの突起が狙った位置からずれても、接触抵抗の増加、発電性能の低下を抑制できる。
請求項２、４、５の燃料電池のセパレータによれば、アノード側ガス流路用突起のサイズをカソード側ガス流路用突起のサイズより小としたので、アノード側ガス流路における圧力損失の低減、ガス拡散性、供給性、排水性の向上をはかることができる。また、製造誤差などによりアノード側セパレータが狙った位置からずれても、接触抵抗の増加、発電性能の低下を抑制できる。
請求項３、４、５の燃料電池のセパレータによれば、マニホールド間アノード側ガス流路圧損対マニホールド間カソード側ガス流路圧損の値を従来セパレータのマニホールド間アノード側ガス流路圧損対マニホールド間カソード側ガス流路圧損の値より小としたので、アノード側ガス流路におけるガス拡散性、供給性、排水性の向上をはかることができる。また、製造誤差などによりアノード側セパレータが狙った位置からずれても、接触抵抗の増加、発電性能の低下を抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の燃料電池のセパレータを含む燃料電池スタックの側面図である。
【図２】図１の燃料電池スタックの一部の拡大断面図である。
【図３】図１のうちセパレータの正面図である。
【図４】図１の燃料電池のセパレータの一部の拡大断面図である。
【図５】図４でセパレータの流路用突起がアノード側とカソード側とでずれた場合の断面図である。
【図６】図５の正面図である。
【図７】従来のセパレータの流路用突起がアノード側とカソード側とでずれた場合の正面図である。
【符号の説明】
１０（固体高分子電解質型）燃料電池
１１電解質膜
１２、１５触媒層
１３、１６拡散層
１４電極（アノード、燃料極）
１７電極（カソード、空気極）
１８セパレータ
１９セル
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締結部材（テンションプレート）
２５ボルト
２６冷媒流路（冷却水流路）
２７燃料ガス流路（アノード側ガス流路）
２８酸化ガス流路（カソード側ガス流路）
２９冷媒マニホールド
２９ａ入側
２９ｂ出側
３０燃料ガスマニホールド
３０ａ入側
３０ｂ出側
３１酸化ガスマニホールド
３１ａ入側
３１ｂ出側
３２突起（アノード側ガス流路用突起）
３３突起（カソード側ガス流路用突起）[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a separator for a fuel cell (for example, a low-temperature fuel cell such as a solid polymer electrolyte fuel cell).
[0002]
[Prior art]
A solid polymer electrolyte fuel cell is composed of a laminate of a membrane-electrode assembly (MEA) and a separator. The membrane-electrode assembly is composed of an electrolyte membrane composed of an ion exchange membrane and an electrode (anode, fuel electrode) composed of a catalyst layer disposed on one side of the electrolyte membrane, and an electrode composed of a catalyst layer disposed on the other side of the electrolyte membrane (anode). Cathode, air electrode). A diffusion layer is provided between the membrane-electrode assembly and the separator on the anode side and the cathode side, respectively. The separator has a fuel gas flow path for supplying fuel gas (hydrogen) to the anode, and an oxidizing gas flow path for supplying oxidizing gas (oxygen, usually air) to the cathode. Further, a coolant channel for flowing a coolant (normally, cooling water) is also formed in the separator. A cell is formed by stacking a membrane-electrode assembly and a separator, a module is formed from at least one cell, the modules are stacked to form a cell stack, and terminals, insulators, and end plates are provided at both ends of the cell stack in the cell stacking direction. Are arranged, and the cell stack is tightened in the cell stacking direction, and is fixed with a fastening member (for example, a tension plate) extending in the cell stacking direction, and a bolt and a nut, thereby forming a stack.
On the anode side of each cell, a reaction is performed to convert hydrogen into hydrogen ions (protons) and electrons. The hydrogen ions move through the electrolyte membrane to the cathode side, and oxygen and hydrogen ions and electrons (next MEA) on the cathode side. The electrons generated at the anode of the stack pass through the separator, or the electrons generated at the anode of the cell at one end of the stack in the stacking direction of the stack come through the external circuit to the cathode of the cell at the other end of the stack. Done.
The anode _{^{side: H 2 → 2H + + 2e}} -
Cathode side: 2H ⁺ + 2e ⁻ + (1/2) O ₂ → H ₂ O
[0003]
In order for the above reaction to be performed normally, it is necessary that the electrolyte membrane is appropriately moistened, that the reaction gas is sufficiently diffused and supplied to the electrodes, and that excessive water droplets are removed from the reaction gas flow path. There is.
Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-143725 discloses a fuel cell in which a large number of protrusions are provided on a separator of a fuel cell to improve the gas diffusion property and supply property of a reaction gas to an electrode, and also improve drainage. .
In a conventional fuel cell separator, the protrusions of the anode-side separator and the protrusions of the cathode-side separator that face each other across the MEA are protrusions having the same size and the same pitch. When the size of the protrusion (the size in the direction orthogonal to the height direction of the protrusion) is reduced for the purpose of improving the performance and drainage, the protrusion of the anode-side separator and the protrusion of the cathode-side separator are simultaneously reduced.
[0004]
[Patent Document 1]
JP 2001-143725 A
[Problems to be solved by the invention]
However, if the size of the protrusions of the anode-side separator and the protrusions of the cathode-side separator are reduced to reduce pressure loss, improve gas diffusion, supply, and drainage, the protrusions naturally come into pressure contact with the diffusion layer of the protrusions. The contact area increases, causing an increase in contact resistance and a decrease in power generation performance.
In particular, when the projections of the cathode-side separator, which are reduced by the same amount as the projections of the anode-side separator, are displaced from positions facing each other due to a manufacturing error or the like, the area of the projections pressed against the diffusion layer is reduced by the above-described projection size. The pressing contact area, which is naturally reduced by the reduction, is further reduced, and as a result, the contact resistance further increases and the power generation performance decreases.
The object of the present invention is to reduce the size of the projections to reduce pressure loss, improve gas diffusivity, supply properties, and improve drainage.Also, the projections of the anode-side separator and the cathode-side separator are reduced due to manufacturing errors. An object of the present invention is to provide a fuel cell separator capable of suppressing a further increase in contact resistance and a decrease in power generation performance by deviating from positions facing each other.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
The present invention that achieves the above object is as follows.
(1) A separator for a fuel cell, wherein the width of the anode-side gas passage is larger than the width of the cathode-side gas passage.
(2) A separator for a fuel cell, wherein the size of the anode-side gas passage projection is smaller than the size of the cathode-side gas passage projection.
(3) In a fuel cell separator, the value of the anode gas flow path pressure loss between the manifolds versus the cathode gas flow path pressure loss between the manifolds is determined by comparing the anode gas flow path pressure loss between the manifolds of the conventional separator to the cathode gas flow path between the manifolds. A fuel cell separator that is smaller than the pressure loss value.
(4) The fuel cell separator according to any one of (1) to (3), wherein the fuel cell is a solid polymer electrolyte fuel cell.
(5) The fuel cell separator according to any one of (1) to (3), wherein the anode-side gas passage protrusion and the cathode-side gas passage protrusion are provided at positions facing each other.
[0007]
In the fuel cell separators of the above (1), (4) and (5), the width of the anode-side gas passage is larger than the width of the cathode-side gas passage. Diffusion, supply, and drainage can be improved. In addition, even if the projection of the anode separator deviates from the target position due to a manufacturing error or the like, it is still at the position facing the projection of the cathode separator, and the projection deviates from the position where the projections oppose each other, so that the contact resistance increases, There is no performance degradation.
In the fuel cell separators of the above (2), (4) and (5), the size of the anode-side gas flow path projection is smaller than the size of the cathode-side gas flow path projection. Pressure loss can be reduced, and gas diffusibility, supply properties, and drainage properties can be improved. In addition, even if the anode side separator deviates from the target position due to manufacturing errors, it is still located at the position facing the projection of the cathode side separator, the contact resistance increases due to the deviation of the projections from the opposing position, and the power generation performance decreases. There is no decline.
In the fuel cell separators of the above (3), (4) and (5), the value of the anode side gas flow path pressure loss between the manifolds and the cathode side gas flow path pressure loss between the manifolds is calculated by subtracting the value of the anode side gas flow path pressure loss between the manifolds of the conventional separator. Since it is smaller than the value of the pressure loss on the cathode side gas flow path between the manifolds, it is possible to improve the gas diffusion property, supply property and drainage property on the anode side gas flow path. In addition, even if the anode side separator deviates from the target position due to manufacturing errors, it is still located at the position facing the projection of the cathode side separator, the contact resistance increases due to the deviation of the projections from the opposing position, and the power generation performance decreases. There is no decline.
[0008]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, the fuel cell of the present invention will be described with reference to FIGS. However, FIG. 7 is a comparative example and is not included in the present invention.
The fuel cell to be used in the present invention is a low-temperature fuel cell, for example, a solid polymer electrolyte fuel cell 10. The fuel cell 10 is mounted on, for example, a fuel cell vehicle. However, it may be used other than a car.
[0009]
As shown in FIGS. 1 and 2, the solid polymer electrolyte fuel cell 10 is composed of a laminate of a membrane-electrode assembly (MEA: Membrane-Electrode Assembly) and a separator 18. The membrane-electrode assembly includes an electrolyte membrane 11 composed of an ion exchange membrane, an electrode (anode, fuel electrode) 14 composed of a catalyst layer 12 disposed on one side of the electrolyte membrane, and a catalyst disposed on the other side of the electrolyte membrane 11. And an electrode (cathode, air electrode) 17 composed of the layer 15. Diffusion layers 13 and 16 are provided between the membrane-electrode assembly and the separator 18 on the anode side and the cathode side, respectively.
A cell 19 is formed by stacking the membrane-electrode assembly and the separator 18, a module is formed from at least one cell, the modules are stacked to form a cell stack, and terminals 20 and insulators are provided at both ends of the cell stack in the cell stacking direction. 21, the end plate 22 is arranged, the cell stack is tightened 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 with a bolt / nut 25; The stack 23 is configured. FIG. 2 shows a case where one module is composed of two cells. However, the present invention is not limited to this. One module may be composed of one cell, or one module may be composed of three or more cells. You may. In addition, the direction of “stacking” of cells may be a vertical direction, a horizontal direction, or an oblique direction.
[0010]
The separator 18 is made of any one or a combination of carbon, metal, or conductive resin, or metal and resin frame. The illustrated example shows the case of a carbon separator. However, the separator 18 is not limited to carbon.
[0011]
A fuel gas flow path 27 for supplying a fuel gas (hydrogen) to the anode 14 is formed in the separator 18, and an oxidizing gas flow path 28 for supplying an oxidizing gas (oxygen, usually air) to the cathode 17. Is formed. Both the fuel gas and the oxidizing gas are reaction gases. Further, a coolant channel 26 for flowing a coolant (normally, cooling water) is also formed in the separator. The coolant channel 26 is provided for each cell or for one or more cells (for example, for each module).
[0012]
The fuel gas flow path 27 formed in the separator 18 is formed between the protrusions 32 formed on the surface of the separator 18 on the side in contact with the diffusion layer. The oxidizing gas flow passage 28 formed in the separator 18 is formed between the protrusions 33 formed on the surface of the separator 18 on the side in contact with the diffusion layer. The tip surfaces of the projections 32 and 33 press the diffusion layers 13 and 16 and are in contact with the diffusion layers 13 and 16. The protrusions 32 and 33 may be continuous protrusions (rib-like protrusions) in the gas flow direction, or may be discontinuous protrusions. In the case of discontinuous projections, the shape in a plane parallel to the cell surface (separator surface) at the tip of the projections 32 and 33 may be square, rectangular, or the like, or may be circular, Alternatively, the shape may be another shape (an ellipse, a trapezoid, a rhombus, a triangle, a polygon, or the like).
[0013]
As shown in FIG. 3, the separator 18 is provided with a refrigerant manifold 29, a fuel gas manifold 30, and an oxidizing gas manifold 31, which penetrate in the cell stacking direction.
The gas flow path (fuel gas flow path 27, oxidizing gas flow path 28) and the gas manifold (fuel gas manifold 30, oxidizing gas manifold 31) in the power generation region of the fuel cell are connected and communicate with each other. The power generation area of the fuel cell is an area in which the electrolyte membrane 11, the fuel gas flow path 27, and the oxidizing gas flow path 28 are present, and in which power generation is performed.
[0014]
The refrigerant manifold 29 has an inlet side 29a and an outlet side 29b, and the refrigerant flows from the inlet side 29a to the outlet side 29b through the refrigerant flow path 26 in the cell.
The fuel gas manifold 30 has an inlet 30a and an outlet 30b, and the fuel gas flows from the inlet 30a to the outlet 30b through the fuel gas flow path 27 in the cell.
The oxidizing gas manifold 31 has an inlet 31a and an outlet 31b, and the oxidizing gas flows from the inlet 31a to the outlet 31b through the oxidizing gas passage 28 in the cell.
Each of the various manifolds may be constituted by one manifold, or may be constituted by a plurality of similar manifolds in each of the inlet and outlet manifolds.
[0015]
As shown in FIG. 4, in the separator 18 of the fuel cell 10 (for example, a solid polymer electrolyte fuel cell), the width W ₁ of the anode-side gas flow path (the fuel gas flow path 27) is the same as the width of the cathode-side gas flow path (the fuel gas flow path 27). there as greater than the width _{W 2} of the oxidizing gas channel 28).
The above-mentioned “anode flow path> cathode flow path” includes the one that becomes “anode flow path> cathode flow path by controlling dimensional tolerance”.
[0016]
Further, in the separator 18 of the fuel cell 10 (for example, a solid polymer electrolyte fuel cell), the size (the size in the direction parallel to the separator surface) of the projection 32 for the anode-side gas flow path (the fuel gas flow path 27) D _1. the cathode side gas flow path (the size in a direction parallel to the separator surface) size (oxidizing gas channel 28) protrusion 33 is a smaller than D _2.
The above-mentioned size relationship of the projection sizes includes those in which D ₁ <D ₂ by managing the tolerance of the projection dimensions.
[0017]
Further, in the separator 18 of the fuel cell 10 (for example, a solid polymer electrolyte fuel cell), the anode gas flow path (fuel gas flow path 27) between the manifolds 30a and 30b versus the cathode gas flow path between the manifolds 31a and 31b. (Oxidizing gas flow path 28) The value of the pressure loss is smaller than the value of the pressure loss between the anode gas flow path between the manifolds and the cathode gas flow path between the manifolds of the conventional separator. For example, the pressure loss of the oxidizing gas flow path 28 is kept as it is, the pressure loss of the fuel gas flow path 27 is made smaller than before, and the value of the ratio of the pressure loss of the fuel gas flow path 27 to the pressure loss of the oxidizing gas flow path 28 is changed. It is smaller than the value of the ratio of the pressure loss of the fuel gas passage / the pressure loss of the oxidizing gas passage.
[0018]
The anode-side gas passage projection 32 and the cathode-side gas passage projection 33 are provided at opposing positions with the MEA interposed therebetween. As shown in FIGS. 5 and 6, the entire distal end face of the anode-side gas flow path projection 32 is located within a range facing the distal end face of the cathode-side gas flow path projection 33. Desirably, the center of the projection 32 for the anode-side gas flow path and the center of the projection 33 for the cathode-side gas flow path having a size larger than that of the anode-side gas flow path 32, but are shifted due to a manufacturing error or the like. Therefore, even if the center of the projection 32 for the anode-side gas flow path and the center of the projection 33 for the cathode-side gas flow path are displaced, the entire distal end surface of the projection 32 for the anode-side gas flow path will be 33 are located within a range opposed to the front end face.
[0019]
Next, the operation of the fuel cell separator of the present invention will be described.
FIG. 7 shows a comparative example in which the projection 32 'for the anode-side gas passage and the projection 33' for the cathode-side gas passage have the same shape and the same area. In the example of FIG. 7, when the center of the anode-side gas flow channel projection and the center of the cathode-side gas flow channel projection are shifted due to a manufacturing error or the like, a portion of the tip of the projection that presses the diffusion layer (the opposite projection is the MEA). The area of the area where the contact electric resistance is obtained by pressing and pressing, the area shaded in FIG. 7) is significantly reduced as compared with the area of the tip of the protrusion, and there is a possibility that the contact resistance increases and the fuel cell output decreases. It is shown that.
On the other hand, FIG. 6 shows the present invention, in which the area of the distal end surface of the projection 32 for the anode side gas flow channel is reduced, so that the pressing area of the diffusion layer 13 at the distal end of the projection 32 is naturally reduced. Since the tip of the projection 33 does not deviate from the facing region of the tip of the projection 33, the tip of the projection 32 presses the diffusion layer between the tip of the projection 33 and the tip of the projection 32 as shown in FIG. This shows that the diffusion layer pressing area of the protrusion 32 is reduced, and the contact resistance is not increased and the fuel cell output is not reduced.
[0020]
Since the anode gas flow path width W ₁ and from the cathode side gas flow path width W ₂ and the large reduction of the pressure loss in the anode gas flow path 27, the fuel gas diffusivity to the anode, supplying property, the anode gas flow The drainage from the road 27 can be improved. In addition, even if the projection 32 of the anode-side separator deviates from a target position (a position where the center of the projection 32 coincides with the center of the projection 33) due to a manufacturing error or the like, the projection 32 still faces the projection 33 of the cathode-side separator, An increase in contact resistance and a decrease in power generation performance due to a shift of the distal end surface of the projection 32 from a position facing the distal end surface of the projection 33 are suppressed.
[0021]
Further, since the size D ₁ of the anode gas flow path projection 32 and than the size D ₂ of the cathode side gas flow path projection 33 and the small, the reduction of the pressure loss in the anode gas flow path 27, the gas diffusibility, supplied And drainage can be improved. In addition, even if the projection 32 of the anode-side separator deviates from a target position (a position where the center of the projection 32 coincides with the center of the projection 33) due to a manufacturing error or the like, the projection 32 still faces the projection 33 of the cathode-side separator, An increase in contact resistance and a decrease in power generation performance due to a shift of the distal end surface of the projection 32 from a position facing the distal end surface of the projection 33 are suppressed.
[0022]
Also, since the value of the anode side gas flow path pressure loss between the manifolds versus the cathode side gas flow path pressure loss between the manifolds was smaller than the value of the anode side gas flow path pressure loss between the manifolds of the conventional separator versus the cathode side gas flow path pressure loss between the manifolds, The gas diffusion property, supply property, and drainage property in the anode-side gas flow path 27 can be improved. In addition, even if the projection 32 of the anode-side separator deviates from a target position (a position where the center of the projection 32 coincides with the center of the projection 33) due to a manufacturing error or the like, the projection 32 still faces the projection 33 of the cathode-side separator, An increase in contact resistance and a decrease in power generation performance due to a shift of the distal end surface of the projection 32 from a position facing the distal end surface of the projection 33 are suppressed.
[0023]
【The invention's effect】
According to the fuel cell separator of claims 1, 4, and 5, the width of the anode-side gas flow path is larger than the width of the cathode-side gas flow path. Supply and drainage can be improved. Further, even if the projection of the anode-side separator deviates from a target position due to a manufacturing error or the like, an increase in contact resistance and a decrease in power generation performance can be suppressed.
According to the fuel cell separator of claims 2, 4 and 5, the size of the projection for the anode gas flow path is smaller than the size of the projection for the cathode gas flow path. Reduction, gas diffusion, supply, and drainage can be improved. Further, even if the anode-side separator deviates from a target position due to a manufacturing error or the like, an increase in contact resistance and a decrease in power generation performance can be suppressed.
According to the fuel cell separator of claims 3, 4, and 5, the value of the anode side gas flow path pressure loss between the manifolds and the cathode side gas flow path pressure loss between the manifolds is set to the value between the manifold side anode gas flow path pressure loss and the manifold of the conventional separator. Since it is smaller than the value of the pressure loss on the cathode side gas passage, the gas diffusibility, supplyability and drainage in the anode side gas passage can be improved. Further, even if the anode-side separator deviates from a target position due to a manufacturing error or the like, an increase in contact resistance and a decrease in power generation performance can be suppressed.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a side view of a fuel cell stack including a fuel cell separator of the present invention.
FIG. 2 is an enlarged sectional view of a part of the fuel cell stack of FIG.
FIG. 3 is a front view of a separator in FIG.
FIG. 4 is an enlarged sectional view of a part of the separator of the fuel cell of FIG.
FIG. 5 is a cross-sectional view of FIG. 4 when the flow channel projections of the separator are shifted between the anode side and the cathode side.
FIG. 6 is a front view of FIG. 5;
FIG. 7 is a front view of a conventional separator in which flow channel projections are shifted between an anode side and a cathode side.
[Explanation of symbols]
Reference Signs List 10 (Solid polymer electrolyte type) fuel cell 11 Electrolyte membrane 12, 15 Catalyst layer 13, 16 Diffusion layer 14 Electrode (anode, fuel electrode)
17 electrodes (cathode, air electrode)
18 Separator 19 Cell 20 Terminal 21 Insulator 22 End plate 23 Stack 24 Fastening member (tension plate)
25 Volt 26 Refrigerant flow path (cooling water flow path)
27 Fuel gas flow path (anode gas flow path)
28 Oxidizing gas flow path (cathode side gas flow path)
29 Refrigerant manifold 29a Inlet 29b Outlet 30 Fuel gas manifold 30a Inlet 30b Outlet 31 Oxidizing gas manifold 31a Inlet 31b Outlet 32 Projection (projection for anode side gas flow path)
33 Projection (projection for cathode side gas flow path)

Claims

A separator for a fuel cell, wherein the width of the anode-side gas passage is larger than the width of the cathode-side gas passage.

A separator for a fuel cell, wherein the size of the anode-side gas passage projection is smaller than the size of the cathode-side gas passage projection.

In the fuel cell separator, the value of the anode gas flow path pressure loss between the manifolds versus the cathode gas flow path pressure loss between the manifolds is the value of the anode gas flow path pressure loss between the manifolds of the conventional separator versus the value of the cathode gas flow path pressure loss between the manifolds. A smaller fuel cell separator.

4. The fuel cell separator according to claim 1, wherein the fuel cell is a solid polymer electrolyte fuel cell. 5.

The fuel cell separator according to any one of claims 1 to 3, wherein the anode-side gas passage protrusion and the cathode-side gas passage protrusion are provided at positions opposed to each other.