JP2005032578A - Separator for fuel cell, fuel cell, and fuel cell vehicle - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、固体電解質型燃料電池に使用する燃料電池用セパレータ、燃料電池および燃料電池自動車に関する。 The present invention relates to a separator for a fuel cell, a fuel cell, and a fuel cell vehicle used for a solid oxide fuel cell.
燃料電池は、反応ガスである水素含有ガスなどの燃料ガスと、空気などの酸化剤ガスを電気化学的に反応させることにより、燃料の持つ化学エネルギを、直接電気エネルギに変換する装置であり、エネルギ効率を他のエネルギ機関と比べて高くできること、資源の枯渇問題を有する化石燃料を使う必要がないので排出ガスを発生しないなどの優れた特徴を有している。 A fuel cell is a device that converts the chemical energy of fuel directly into electrical energy by electrochemically reacting a fuel gas such as a hydrogen-containing gas that is a reactive gas with an oxidant gas such as air. It has excellent characteristics such as high energy efficiency compared to other energy engines and no generation of exhaust gas because there is no need to use fossil fuels that have a problem of resource depletion.
このため地球環境保護の観点から、燃料電池を自動車の内燃機関に代えて作動するモータの電源として利用し、このモータにより自動車を駆動することが検討されている。 For this reason, from the viewpoint of protecting the global environment, it has been studied to use a fuel cell as a power source of a motor that operates in place of an internal combustion engine of an automobile, and to drive the automobile by this motor.
このような燃料電池は、両面に電極(燃料極,酸化剤極)を設ける電解質の種類により、固体高分子型、リン酸型、溶融炭酸塩型、固体酸化物型など各種が知られている。このうち固体高分子電解質型燃料電池(PEFC:Polymer Electrolyte Fuel Cell)における電極反応は以下のようになる。 Various types of fuel cells such as solid polymer type, phosphoric acid type, molten carbonate type and solid oxide type are known depending on the type of electrolyte provided with electrodes (fuel electrode, oxidant electrode) on both sides. . Among these, the electrode reaction in a polymer electrolyte fuel cell (PEFC) is as follows.
燃料極:H2 →2H+ +2e- ・・・(1)
酸化剤極:(1/2)O2 +2H+ +2e-→H2 O ・・・(2)
燃料極には燃料ガスを供給し、上記した式(1)の反応が進行してプロトンが生成される。プロトンは、水和状態で、電解質、ここでは固体高分子電解質内を移動して酸化剤極に至る。酸化剤極では、このプロトンと、供給した酸化剤ガス中の酸素により、上記した式(2)の反応が進行する。式(1),(2)の反応が各極で進行することで、燃料電池は起電力を生じることになる。
Fuel electrode: H 2 → 2H + + 2e − (1)
Oxidant electrode: (1/2) O 2 + 2H + + 2e − → H 2 O (2)
Fuel gas is supplied to the fuel electrode, and the reaction of the above formula (1) proceeds to generate protons. In the hydrated state, protons move through the electrolyte, here the solid polymer electrolyte, and reach the oxidant electrode. At the oxidant electrode, the reaction of the above formula (2) proceeds by the proton and oxygen in the supplied oxidant gas. As the reactions of the equations (1) and (2) proceed at each pole, the fuel cell generates an electromotive force.
このように固体高分子電解質型燃料電池は、分子中にプロトン交換基を有する高分子樹脂膜を飽和に含水させると、プロトン伝導性電解質として機能することを利用した燃料電池である。これは比較的低温で作動し、効率の良い発電を行うことができるため、電気自動車搭載用を始めとして各種用途が見込まれている。 As described above, the solid polymer electrolyte fuel cell is a fuel cell that utilizes a function as a proton conductive electrolyte when a polymer resin film having a proton exchange group in a molecule is saturatedly hydrated. Since this can operate at a relatively low temperature and perform efficient power generation, various uses are expected including those for electric vehicles.
このような固体高分子電解質型燃料電池において、容積を小さくしたままで高い出力を得るため、また、高効率の燃料電池システムを得るため、下記特許文献1に記載されているように、電極に対向して配置するセパレータに設けたガス流路を、電極の触媒層に反応ガスを供給する供給用ガス流路と、触媒層からガスを回収する排出用ガス流路とに分離して構成している。
また、固体高分子電解質型燃料電池は、固体高分子電解質膜の両面にガス拡散電極(ガス拡散層と触媒層からなり、触媒が存在する面が高分子電解質膜に接する)をホットプレスなどの手段により接合してなる膜電極接合体(MEA)と、カーボンや金属製のガスセパレータを積層した構造を有する。 In addition, a solid polymer electrolyte fuel cell has a gas diffusion electrode (consisting of a gas diffusion layer and a catalyst layer, and the surface on which the catalyst exists is in contact with the polymer electrolyte membrane) on both sides of the solid polymer electrolyte membrane. It has a structure in which a membrane electrode assembly (MEA) bonded by means and a carbon or metal gas separator are laminated.
ガスセパレータとしては、炭素材は非常によく用いられるが、切削加工により成形されるため、コストが高く、また強度が低いため、セパレータを厚くする必要があり、このため燃料電池の容積が大きくなるという問題点がある。 As a gas separator, a carbon material is very often used, but since it is formed by cutting, the cost is high and the strength is low, so it is necessary to increase the thickness of the separator, which increases the volume of the fuel cell. There is a problem.
そこで、下記特許文献2に示されるような、従来の固体高分子電解質型燃料電池においては、セパレータとMEAとの間に反応ガス流路を形成するとともに、セパレータ板と中間板との間に冷却水流路を設けている。
また、セパレータ材料はMEA相互間を電気的に接続させるため、高い電気伝導性、構成材料との低い接触抵抗が必要となる。このため、「固体高分子型燃料電池の開発と実用化」(株)技術情報協会 1999年発行のp.92(図8)に開示されるように、セパレータとしては、カーボン材料をプレート状に成形し、この両面に反応ガス流路面を成形したものが用いられている。 Further, since the separator material electrically connects the MEAs, high electrical conductivity and low contact resistance with the constituent materials are required. Therefore, “Development and Practical Use of Polymer Electrolyte Fuel Cell”, p. As disclosed in FIG. 92 (FIG. 8), as the separator, a carbon material formed into a plate shape and a reaction gas flow path surface formed on both sides thereof is used.
しかし、カーボン材は、構成材料との接触抵抗が低い点については優れるものの、金属材料に比べると強度が低いため、燃料電池を自動車などに搭載する際に厚さを薄くし小型化する要求に対しては自ずと限界があり、1〜5mm程度の厚さが一般的である。 However, although carbon materials are superior in that they have low contact resistance with constituent materials, they are less strong than metal materials, so when a fuel cell is mounted on an automobile or the like, it is required to be made thinner and smaller. However, the thickness is naturally limited, and a thickness of about 1 to 5 mm is common.
このような、燃料電池の小型化、低コスト化のため、下記特許文献3,4に開示されるように、セパレータの材料として金属製薄板を用い、プレス成形などの加工により、波形に成形することで、セパレータの厚さを低減させることが試みられている。
このような固体高分子電解質型燃料電池において、出力密度を向上させるには、前述の特許文献1に示されるように、セパレータに設けたガス流路を、供給用ガス流路と排出用ガス流路とに分離するとともに、これら両ガス流路を交互に配列し、供給用ガス流路に積極的にガスを供給するような流路パターン(インタディジテート型とも呼ばれる)としたものを用いることは有効である。
In such a solid polymer electrolyte fuel cell, in order to improve the output density, as shown in
しかし、このような構成とした場合、流路に直交する断面形状におけるセパレータ材料の裏表の凹凸形状の差により、セパレータに反りが発生する。このため、組立性の悪化が発生するとともに、組立後の電極とセパレータのリブ面(表面の波形の凸部)との間の面圧不均一による、トータルとしての接触抵抗の増大、ガス配流のばらつきによる発電特性の低下が問題となる。 However, in such a configuration, the separator is warped due to the difference in the concave and convex shapes of the separator material in the cross-sectional shape orthogonal to the flow path. For this reason, the deterioration of assemblability occurs, and the contact resistance between the electrode after assembly and the rib surface of the separator (the corrugated convex portion on the surface) is uneven, which increases the total contact resistance, Deterioration of power generation characteristics due to variations becomes a problem.
そこで、この発明は、金属製薄板を波形に形成したセパレータの反りを防止することで、接触抵抗の増大、ガス配流のばらつきによる発電特性の低下を防止することを目的としている。 In view of this, an object of the present invention is to prevent a separator having a corrugated metal thin plate from being warped, thereby preventing a decrease in power generation characteristics due to an increase in contact resistance and a variation in gas distribution.
前記目的を達成するために、この発明は、固体電解質の両側の各電極面に対向して配置され、この電極面に対向する面に酸化剤ガスもしくは燃料ガスが供給されるガス流路を備えるとともに、前記電極面と反対側に、冷却水流路を備えた燃料電池用セパレータにおいて、板材を波形に形成してその両面に、前記ガス流路および冷却水流路をそれぞれ形成し、前記ガス流路および冷却水流路の、前記セパレータの面に対向する方向から見た平面視での各面積を、互いに同等とした構成としてある。 In order to achieve the above object, the present invention is provided with a gas flow path that is disposed to face each electrode surface on both sides of a solid electrolyte and that is supplied with an oxidant gas or a fuel gas on the surface facing this electrode surface. In addition, in the fuel cell separator provided with a cooling water channel on the side opposite to the electrode surface, a plate material is formed in a corrugated shape, and the gas channel and the cooling water channel are respectively formed on both surfaces thereof. In addition, the respective areas of the cooling water channel in plan view as viewed from the direction facing the surface of the separator are set to be equal to each other.
この発明によれば、波形に形成した板材の両面に、ガス流路および冷却水流路をそれぞれ形成し、これらガス流路および冷却水流路の、セパレータの面に対向する方向から見た平面視での各面積を、互いに同等としたので、ガス流路および冷却水流路を凹凸で形成したセパレータの両面での張力が均等化し、セパレータの反りを低減することができる。この結果、燃料電池として組立性が向上するとともに、組立後の燃料電池における電極とセパレータとの面圧不均一を防止でき、トータルとしての接触抵抗低減、ガス配流のばらつきを低減でき発電特性を向上することが可能となる。 According to the present invention, the gas flow path and the cooling water flow path are respectively formed on both surfaces of the corrugated plate material, and the gas flow path and the cooling water flow path are viewed in a plan view from the direction facing the separator surface. Since the respective areas are equal to each other, the tension on both surfaces of the separator in which the gas flow path and the cooling water flow path are formed with unevenness can be equalized, and the warpage of the separator can be reduced. As a result, assemblability of the fuel cell is improved, non-uniform surface pressure between the electrode and the separator in the assembled fuel cell can be prevented, the total contact resistance can be reduced, and the variation in gas distribution can be reduced, improving the power generation characteristics. It becomes possible to do.
以下、この発明の実施の形態を図面に基づき説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
図1〜図8は、この発明の第1の実施形態〜第8の実施形態による燃料電池用セパレータ(以下単に、セパレータと呼ぶ)の断面形状を示した模式図である。また、図9〜図11は、比較例1〜3のセパレータの断面形状を示した模式図である。なお、以下で説明するセパレータは、燃料極にガス流路を対向して形成してある燃料極側のセパレータとするが、酸化剤極にガス流路を対向して形成してある酸化剤極側のセパレータであってもよい。 FIGS. 1-8 is the schematic diagram which showed the cross-sectional shape of the separator for fuel cells (henceforth only called a separator) by 1st Embodiment-8th Embodiment of this invention. 9 to 11 are schematic views showing the cross-sectional shapes of the separators of Comparative Examples 1 to 3. The separator described below is a separator on the fuel electrode side formed with the gas flow path facing the fuel electrode, but the oxidant electrode formed with the gas flow path facing the oxidant electrode. It may be a separator on the side.
上記した各実施形態および各比較例によるセパレータ1は、一方の面(図12中で表側の面)に図12に斜視図で示すようなガス流路形状を備えている。このガス流路形状は、電極に燃料ガスを供給する供給用ガス流路3と、電極から燃料ガスを排出する排出用ガス流路5とを、互いに独立して設けてある。
The
供給用ガス流路3は、供給口として燃料ガス供給孔7に連通する燃料ガス供給主流路9と、燃料ス供給主流路9から複数分岐する燃料ガス供給分岐流路11とを有する。一方、排出用ガス流路5は、排出口として燃料ガス排出孔13に連通する燃料ガス排出主流路15と、燃料ガス排出主流路15から複数分岐する燃料ガス排出分岐流路17とを有する。そして、燃料ガス供給分岐流路11と燃料ガス排出分岐流路17とを、複数交互に配列してある。
The supply
また、セパレータ1の他方の面(図12中で裏側の面)には、冷却水流路(図1〜図11では、符号18で示している)を形成してあり、前記した図1〜図8は、図12のA−A断面の一部に相当する。
Further, a cooling water flow path (indicated by
さらに、上記したセパレータ1には、酸化剤ガス供給孔19,同排出孔21および、冷却水供給孔23,同排出孔25をそれぞれ形成してある。
Further, the
このようなセパレータ1は、SUS16L材の板厚0.1mmの板材を、プレス成形にて上記図12に示したような所定の波型形状に成形した後、金メッキを施す。なお、今回の全ての実施形態、比較例ともガス流路および冷却水流路の深さを0.5mmとしている。
Such a
図13は、上記したセパレータ1を使用した燃料電池の単セルを複数積層して構成した燃料電池スタック45の分解斜視図である。この燃料電池スタック45は、MEA27の両側に燃料極側のセパレータ1および酸化剤極側のセパレータ1をそれぞれ配置して単セルとし、この単セルを多数積層してその両端にエンドプレート29を配置し、これらを締結ボルト31で締結している。MEA27は、従来の技術でも説明したように、固体高分子電解質膜の両面に、ガス拡散層と触媒層からなるガス拡散電極を、ホットプレスなどの手段により接合してなる膜電極接合体である。
FIG. 13 is an exploded perspective view of a
この燃料電池スタック45に対し、一方のエンドプレート29に燃料供給口33,同排出口35,酸化剤供給口37,同排出口39,冷却水供給口41,同排出口43を、それぞれ形成する。これら各供給口および排出口は、燃料電池スタック45全体をその積層方向に貫通している。そして、前記図12に示した燃料ガス供給孔7は燃料供給口33に、燃料ガス排出孔13は燃料排出口35に、それぞれ対応し、また酸化剤ガス供給孔19は酸化剤供給口37に、酸化剤ガス排出孔21は酸化剤排出口39に、それぞれ対応し、さらに冷却水供給孔23は冷却水供給口41に、冷却水排出孔25は冷却水排出口43に、それぞれ対応している。
For this
次に、図1〜図8の各実施形態について説明する。 Next, each embodiment of FIGS. 1-8 is demonstrated.
図1に示す第1の実施形態は、燃料ガス供給分岐流路11の流路幅B1を2mmと太くし、燃料ガス排出分岐流路17の流路幅B2を1mmと細くしている。そして、流路幅B1の燃料ガス供給分岐流路11に対し、これと反対側の面で隣接する冷却水流路18の幅寸法L1をB1と等しくし、流路幅B2の燃料ガス排出分岐流路17に対し、これと反対側の面で隣接する冷却水流路18の幅L2をB2と等しくしている。すなわち、冷却水流路18は、流路幅の狭いものと広いものとが、冷却水流路18の配列方向に沿って交互に配置されている。
In the first embodiment shown in FIG. 1, the flow path width B1 of the fuel gas supply
また、燃料ガス供給分岐流路11,燃料ガス排出分岐流路17の形成によってこれと反対側の面に突出する各凸部の端面11a,17aおよび、冷却水流路18の形成によってこれと反対側の面に突出する各凸部の端面18aは、いずれも平坦である。
Further, by forming the fuel gas
上記図1に示すセパレータ1のガス流れ方向(図1中で紙面に直交する方向)と直交する断面の形状は、ガス流路(燃料ガス供給分岐流路11,燃料ガス排出分岐流路17)の配列方向の中心部である点Pを中心として点対称となっている。
The cross-sectional shape perpendicular to the gas flow direction (direction perpendicular to the paper surface in FIG. 1) of the
また、上記断面形状における、ガス流路の配列方向に沿った燃料ガス供給分岐流路11および燃料ガス排出分岐流路17の流路幅寸法の総和もしくは流路断面積の総和と、冷却水流路18の配列方向に沿った冷却水流路18の流路幅寸法の総和もしくは流路断面積の総和とが、互いに等しくなっている。
Further, in the cross-sectional shape, the sum of the channel width dimensions or the sum of the channel cross-sectional areas of the fuel gas
これにより、図12に示してある燃料ガス供給主流路9および燃料ガス排出主流路15を含む、セパレータ1の一方の面に形成してある燃料ガス供給分岐流路11および燃料ガス排出分岐流路17、すなわちガス流路全体のセパレータ1の一方の面に対向する方向から見た平面視での面積の総和と、冷却水流路18全体のセパレータ1の他方の面に対向する方向から見た平面視での面積の総和とを、互いに同等としている。
Thus, the fuel gas
図2に示す第2の実施形態は、供給用ガス流路3,排出用ガス流路5および冷却水流路18のそれぞれの流路幅,配置を、第1の実施形態と同様とし、燃料ガス供給分岐流路11,燃料ガス排出分岐流路17の形成によってこれと反対側の面に突出する各凸部の端面11a,17aおよび、冷却水流路18の形成によってこれと反対側の面に突出する各凸部の端面18aを、いずれも凸曲面としている。
In the second embodiment shown in FIG. 2, the supply
具体的には、互いに同等の流路幅B1,L1を有する燃料ガス供給分岐流路11,冷却水流路18にそれぞれ対応する端面11a,18aの曲率半径RB1,RL1を4.5mm、互いに同等の流路幅B2,L2を有する燃料ガス排出分岐流路17,冷却水流路18にそれぞれ対応する端面17a,18aの曲率半径RB2,RL2を2mmとしている。
More specifically, the curvature radii RB1 and RL1 of the end surfaces 11a and 18a corresponding to the fuel gas
この第2の実施形態によるセパレータ1のガス流れ方向と直交する断面の形状も、第1の実施形態と同様に、点Pを中心として点対称となっている。また、この断面形状における、ガス流路の配列方向に沿った燃料ガス供給分岐流路11および燃料ガス排出分岐流路17の流路幅寸法の総和もしくは流路断面積の総和と、冷却水流路18の配列方向に沿った冷却水流路18の流路幅寸法もしくは流路断面積の総和と等しくなっている。
The shape of the cross section perpendicular to the gas flow direction of the
図3に示す第3の実施形態は、前記図2に示した第2の実施形態に対し、互いに同等の流路幅B2,L2を有する燃料ガス排出分岐流路17,冷却水流路18の各端面17a,18aの曲率半径RB2,RL2を、0.2mmとしている。その他の構成は、第2の実施形態と同様である。
The third embodiment shown in FIG. 3 is different from the second embodiment shown in FIG. 2 in that each of the fuel gas discharge
したがって、この第3の実施形態も、第1の実施形態と同様に、セパレータ1のガス流れ方向と直交する断面の形状は、断面形状が点Pを中心として点対称となっているとともに、この断面形状における、ガス流路の配列方向に沿った燃料ガス供給分岐流路11および燃料ガス排出分岐流路17の流路幅寸法の総和もしくは流路断面積の総和と、冷却水流路18の配列方向に沿った冷却水流路18の流路幅寸法もしくは流路断面積の総和と等しくなっている。
Therefore, in the third embodiment, as in the first embodiment, the cross-sectional shape orthogonal to the gas flow direction of the
図4に示す第4の実施形態は、燃料ガス供給分岐流路11の流路幅B1を2mmと太くし、燃料ガス排出分岐流路17の流路幅B2と1mmと細くした点は、第1の実施形態と同様である。
The fourth embodiment shown in FIG. 4 is that the flow width B1 of the fuel gas supply
一方冷却水流路18の流路幅を、燃料ガス供給分岐流路11にこれと反対側の面で隣接する冷却水流路18の流路幅L1および、燃料ガス排出分岐流路17にこれと反対側の面で隣接する冷却水流路18の流路幅L2の両方を、(B1+B2)/2=1.5mmとなるよう互いに等しくしている。
On the other hand, the flow path width of the cooling
また、燃料ガス供給分岐流路11,燃料ガス排出分岐流路17の形成によってこれと反対側の面に突出する各凸部の端面11a,17aおよび、冷却水流路18の形成によってこれと反対側の面に突出する各凸部の端面18aは、いずれも平坦である。
Further, by forming the fuel gas
この第4の実施形態も、図4に示すセパレータ1のガス流れ方向(図4中で紙面に直交する方向)と直交する断面の形状は、ガス流路の配列方向に沿った燃料ガス供給分岐流路11および燃料ガス排出分岐流路17の流路幅寸法の総和もしくは流路断面積の総和と、冷却水流路18の配列方向に沿った冷却水流路18の流路幅寸法の総和もしくは流路断面積の総和とが、互いに等しくなっている。
Also in the fourth embodiment, the shape of the cross section orthogonal to the gas flow direction of the
図5に示す第5の実施形態は、供給用ガス流路3,排出用ガス流路5および冷却水流路18のそれぞれの流路幅,配置を、図4に示した第4の実施形態と同様とし、燃料ガス供給分岐流路11,燃料ガス排出分岐流路17の形成によってこれと反対側の面に突出する各凸部の端面11a,17aおよび、冷却水流路18の形成によってこれと反対側の面に突出する各凸部の端面18aを、いずれも凸曲面としている。
The fifth embodiment shown in FIG. 5 is different from the fourth embodiment shown in FIG. 4 in the width and arrangement of the
具体的には、燃料ガス供給分岐流路11に対応する端面11aの曲率半径RB1を4.5mm、燃料ガス排出分岐流路17に対応する端面17aの曲率半径RB2を2mm、冷却水流路18の端面18aに対応する曲率半径RL1,RL2を3mmとしている。
Specifically, the curvature radius RB1 of the
この第5の実施形態も、セパレータ1のガス流れ方向と直交する断面の形状が、ガス流路の配列方向に沿った燃料ガス供給分岐流路11および燃料ガス排出分岐流路17の流路幅寸法の総和もしくは流路断面積の総和と、冷却水流路18の配列方向に沿った冷却水流路18の流路幅寸法の総和もしくは流路断面積の総和とが、互いに等しくなっている。
Also in the fifth embodiment, the shape of the cross section perpendicular to the gas flow direction of the
図6に示す第6の実施形態は、燃料ガス供給分岐流路11,燃料ガス排出分岐流路17の形成によってこれと反対側の面に突出する各凸部の端面11a,17aを平坦としている点が第5の実施形態と異なる。その他の構成は、第5の実施形態と同様である。
In the sixth embodiment shown in FIG. 6, the end surfaces 11 a and 17 a of the projecting portions projecting to the opposite surface by the formation of the fuel gas
図7に示す第7の実施形態は、燃料ガス供給分岐流路11,燃料ガス排出分岐流路17および冷却水流路18の流路幅をすべて等しく、1.5mmとしている。
In the seventh embodiment shown in FIG. 7, the fuel gas supply
また、燃料ガス供給分岐流路11,燃料ガス排出分岐流路17の形成によってこれと反対側の面に突出する各凸部の端面11a,17aおよび、冷却水流路18の形成によってこれと反対側の面に突出する各凸部の端面18aは、いずれも平坦である。
Further, by forming the fuel gas
この第7の実施形態によるセパレータ1のガス流れ方向と直交する断面の形状も、図1に示した第1の実施形態と同様に、点Pを中心として点対称となっている。また、この断面形状における、ガス流路の配列方向に沿った燃料ガス供給分岐流路11および燃料ガス排出分岐流路17の流路幅寸法の総和もしくは流路断面積の総和と、冷却水流路18の配列方向に沿った冷却水流路18の流路幅寸法の総和もしくは流路断面積の総和とが、互いに等しくなっている。
The shape of the cross section perpendicular to the gas flow direction of the
図8に示す第8の実施形態は、供給用ガス流路3,排出用ガス流路5および冷却水流路18のそれぞれの流路幅,配置を、図7に示した第7の実施形態と同様とし、燃料ガス供給分岐流路11,燃料ガス排出分岐流路17の形成によってこれと反対側の面に突出する各凸部の端面11a,17aおよび、冷却水流路18の形成によってこれと反対側の面に突出する各凸部の端面18aを、いずれも凸曲面としている。
The eighth embodiment shown in FIG. 8 is different from the seventh embodiment shown in FIG. 7 in the width and arrangement of the
具体的には、互いに同等の流路幅を有する燃料ガス供給分岐流路11,燃料ガス排出分岐流路17および冷却水流路18にそれぞれ対応する端面11a,17aおよび18aの各曲率半径RB1,RB2およびRL1,RL2を、いずれも3mmとしている。
Specifically, the radii of curvature RB1, RB2 of the end faces 11a, 17a and 18a corresponding to the fuel gas
図9は、比較例1を示している。この比較例1は、燃料ガス供給分岐流路11,燃料ガス排出分岐流路17の各流路幅B1,B2を、互いに等しくし、かつこれと反対側の面にある冷却水流路18の流路幅L1より太くしている。
FIG. 9 shows Comparative Example 1. In this comparative example 1, the flow widths B1 and B2 of the fuel gas supply
具体的には、燃料ガス供給分岐流路11,燃料ガス排出分岐流路17の各流路幅B1,B2を1.8mm、冷却水流路18の流路幅L1を1.2mmとしている。
Specifically, the flow path widths B1 and B2 of the fuel gas supply
このため、この比較例1は、図9に示してある断面形状における、ガス流路の配列方向に沿った燃料ガス供給分岐流路11および燃料ガス排出分岐流路17の流路幅寸法の総和もしくは流路断面積の総和が、冷却水流路18の配列方向に沿った冷却水流路18の流路幅寸法の総和もしくは流路断面積の総和より大きく、互いに異なっている。
For this reason, this comparative example 1 is the sum of the channel width dimensions of the fuel gas
これにより、前記図12に示してある燃料ガス供給主流路9および燃料ガス排出主流路15を含む、セパレータ1の一方の面に形成してある燃料ガス供給分岐流路11,燃料ガス排出分岐流路17、すなわちガス流路全体のセパレータ1の一方の面に対向する方向から見た平面視での面積の総和と、冷却水流路18全体のセパレータ1の他方の面に対向する方向から見た平面視での面積の総和とが、互いに異なっている。
As a result, the fuel gas
図10は、比較例2を示している。この比較例2は、冷却水流路18の形成によってこれと反対側の面に突出する各凸部の端面18aを、曲率半径RL1=RL2=2mmの凸曲面としている点が、比較例1と異なっている。その他の構成は、比較例1と同様である。
FIG. 10 shows Comparative Example 2. The comparative example 2 is different from the comparative example 1 in that the
したがって、この比較例2においても、図10の断面形状における、ガス流路の配列方向に沿った燃料ガス供給分岐流路11および燃料ガス排出分岐流路17の流路幅寸法の総和もしくは流路断面積の総和が、冷却水流路18の配列方向に沿った冷却水流路18の流路幅寸法の総和もしくは流路断面積の総和より大きく、互いに異なっている。
Therefore, also in this comparative example 2, the sum of the channel width dimensions of the fuel gas
図11は、比較例3を示している。この比較例3は、燃料ガス供給分岐流路11,燃料ガス排出分岐流路17の形成によってこれと反対側の面に突出する各凸部の端面11a,17aを、曲率半径RB1=RB2=4mmの凸曲面としている点が、比較例2と異なっている。その他の構成は、比較例2と同様である。
FIG. 11 shows Comparative Example 3. In this comparative example 3, the end surfaces 11a and 17a of the convex portions projecting to the opposite surface by the formation of the fuel gas supply
したがって、この比較例3においても、図11の断面形状における、ガス流路の配列方向に沿った燃料ガス供給分岐流路11および燃料ガス排出分岐流路17の流路幅寸法の総和もしくは流路断面積の総和が、冷却水流路18の配列方向に沿った冷却水流路18の流路幅寸法の総和もしくは流路断面積の総和より大きく、互いに異なっている。
Therefore, also in this comparative example 3, the sum of the channel width dimensions of the fuel gas
次に、上記した各実施形態および各比較例によるセパレータ1において、アクティブエリアすなわち発電部分に対応する面積を10cm2とし、前記図12に模式図を示すインターディジテート型流路を有するセパレータ1としてプレス成形した後、反り量を測定した。ここでの反り量とは、平面上にセパレータ1を載置した状態で、この平面に接触するセパレータ1の端部と、反りにより平面から浮き上がった部分のうちの最も平面から離れた部位までの間隔とする。
Next, in the
さらに、これらの各実施形態および各比較例のセパレータ1を、燃料極側セパレータとして用い、酸素剤極側セパレータとしては、供給用ガス流路と排出用ガス流路の各流路幅を互いに同じとしたものを用い、高分子電解質膜としては、スルホン酸基を有するパーフルオロカーボン重合体膜(商品名;ナフィオン112、デュポン株式会社)を、ガス拡散電極としてカーボンブラックで担持した白金触媒を塗布した東レ(株)製カーボンペーパ(TGP−H−090)をそれぞれ用い、前記図13に示すように、充分な剛性を持つエンドプレート29にて、これらを多数積層して1MPaの面圧で両側から締め付けて燃料電池スタック45を構成し、発電特性を評価した。
Furthermore, the
これらの評価結果を表1に示す。
これらの各実施形態に比べ、第4〜第6の各実施形態によるセパレータ1の反り量は若干大きくなるが、比較例1〜3に比べると格段に小さくなっている。
Compared to these embodiments, the amount of warping of the
一方、発電性能は、0.5A/cm2の電流を取り出したときの燃料電池の起電力で評価した。この発電特性については、燃料極側のセパレータ1の燃料ガス供給分岐流路11の流路幅を燃料ガス排出分岐流路17よりも太くした第1〜第6の各実施形態が優れている。また、この中では、各端面11a,17a,18aを凸曲面とした第2,第3,第5の各実施形態および、端面18aを凸曲面とした第6の実施形態が特に優れている。
On the other hand, the power generation performance was evaluated by the electromotive force of the fuel cell when a current of 0.5 A / cm 2 was taken out. Regarding the power generation characteristics, the first to sixth embodiments in which the flow width of the fuel gas supply
第7,第8の各実施形態は、これら第1〜第6の各実施形態に比べ発電性能が若干劣るものの、比較例1〜3に比べると優れている。 The seventh and eighth embodiments are superior to Comparative Examples 1 to 3, although the power generation performance is slightly inferior to those of the first to sixth embodiments.
また、このときの燃料電池スタック45の反応エリア中央部の温度を計測したが、冷却水流路18の流路幅を全体で均一とした第4〜第8の各実施形態が最も温度が低く冷却性能に優れている。これらの各実施形態に比べると、冷却水流路18の流路幅が全体で異なる部位を有する第1〜第3の各実施形態は、若干温度が高く冷却性能が劣っているが、比較例1〜3に比べると、温度が低く冷却性能が優れている。
Moreover, although the temperature of the reaction area center part of the
なお、第2,第3,第5,第6,第8の各実施形態における各端面11a,17a,18aの凸曲面の曲率半径は、0.8mm〜4.5mmとすることが好ましく、特に2mm〜4mmとすることが、より好ましい。そして、この場合、冷却水流路18の反対側の面に形成されて固体電解質の電極面に接する凸部の端面18aを凸曲面とすることで、発電性能の向上に寄与することができる。
In addition, it is preferable that the curvature radius of the convex curved surface of each
以上のように、本発明の各実施形態によれば、波形に形成した板材の両面に、ガス流路(供給用ガス流路3,排出用ガス流路5)および冷却水流路18をそれぞれ形成し、これら各ガス流路3,5および冷却水流路18のセパレータ1の面に対向する方向から見た平面視での各面積を、互いに同等としたので、ガス流路3,5および冷却水流路18を凹凸で形成したセパレータ1の両面での張力が均等化し、セパレータ1の反りを低減することができる。
As described above, according to each embodiment of the present invention, the gas flow path (supply
この結果、燃料電池として組立性が向上するとともに、組立後の燃料電池における電極(MEA27)とセパレータ1との面圧不均一を防止でき、トータルとしての接触抵抗低減、ガス配流のばらつきを低減でき発電特性を向上することが可能となる。
As a result, the assemblability of the fuel cell is improved, the non-uniform surface pressure between the electrode (MEA 27) and the
また、上記した各実施形態では、セパレータ1として、耐食性かつ導電性の表面処理を施したステンレス鋼板を、プレス成形により所定の形状とすることで、燃料電池の小型化に適した強度を有するセパレータ1を低コストで供給することが可能となる。
In each of the above-described embodiments, the
また、第1〜第6の各実施形態では、少なくとも燃料極側のセパレータ1では、燃料ガス供給分岐流路11の流路幅を燃料ガス排出分岐流路17の流路幅より太くし、または燃料ガス供給分岐流路11の流路断面積を燃料ガス排出分岐流路17の流路断面積より大きくする構成としている。
In each of the first to sixth embodiments, at least in the
ここで、燃料ガス(水素)は、電極触媒表面でプロトンとなり、このプロトンは電解質膜中を通り酸化剤ガス極側に移るため、大局的に見れば、燃料極側に供給したガスの量に比べ燃料極側から排出されるガスの量が減少する。このため、第1〜第6の各実施形態では、燃料ガス排出分岐流路17の流路幅を、ガス量が減少する分燃料ガス供給分岐流路11に比べて細くしており、この細くした分、セパレータ1の小型化を達成することが可能となる。
Here, the fuel gas (hydrogen) becomes a proton on the electrode catalyst surface, and this proton passes through the electrolyte membrane and moves to the oxidant gas electrode side. In comparison, the amount of gas discharged from the fuel electrode side is reduced. For this reason, in each of the first to sixth embodiments, the flow width of the fuel gas discharge
さらに、第4〜第6の各実施形態は、冷却水流路18の流路幅寸法を、全体で均一にしているので、冷却性能を効果的に維持することができる。
Further, in each of the fourth to sixth embodiments, since the channel width dimension of the cooling
また、図14に示すように、本発明のセパレータ1を用いた発電効率のよい燃料電池スタック45を、自動車47の小さな空間に搭載して動力源として使用することで、燃料電池自動車として燃費・エネルギ効率向上に貢献でき、同時にスタイリングの自由度を向上できる。
Further, as shown in FIG. 14, a
なお、本発明は、上記した各実施形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術思想の範囲内でさまざまな変更が可能なことは言うまでもない。 In addition, this invention is not necessarily limited to each above-mentioned embodiment, It cannot be overemphasized that a various change is possible within the range of the technical idea as described in a claim.
1 燃料電池用セパレータ
3 供給用ガス流路(ガス流路)
5 排出用ガス流路(ガス流路)
7 燃料ガス供給孔(供給口)
11 燃料ガス供給分岐流路(ガス流路)
13 燃料ガス排出孔(排出口)
17 燃料ガス排出分岐流路(ガス流路)
18 冷却水流路
18a 電極面に接する凸部の端面(凸曲面)
45 燃料電池スタック
47 自動車
1
5 Discharge gas channel (gas channel)
7 Fuel gas supply hole (supply port)
11 Fuel gas supply branch channel (gas channel)
13 Fuel gas discharge hole (discharge port)
17 Fuel gas discharge branch channel (gas channel)
18 Cooling
45
Claims (14)
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