【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、固体高分子形燃料電池用セパレータに関する。
【０００２】
【従来技術】
燃料電池は、固体高分子からなる電解質膜（以下単に高分子膜ともいう）の一方の側にカソードである空気極を配し、他方の側にアノードである燃料極を配したセルを用い、カソードに空気等の酸化剤ガスを、アノードに水素リッチな燃料ガスをそれぞれ供給し、水素と酸素から水を得る以下の電池反応によって起電力を得ている。
【０００３】
Ｈ２ → ２Ｈ＋ ＋ ２ｅ− （アノード反応）
２Ｈ＋ ＋ １／２Ｏ２ ＋ ２ｅ− → Ｈ２Ｏ （カソード反応）
【０００４】
この電池反応は、アノードに供給される水素が水素イオンとなり、この水素イオンが、高分子膜の内部をアノード側からカソード側に移動することを伴っている。ここで、水素イオンは高分子膜中に存在する水分の存在下で移動することにより酸素分子や水素分子のクロスオーバーが生じ難いようにしている。ただし、反応の進行に伴って、酸化剤ガス通路及び／又は燃料ガス通路が、必要以上に湿潤してしまうと、水滴によりガス流が妨げられる事態を招いてしまう。
このため、例えば、特許文献１では、生成水の除去のために隣接する複数のガス通路の集合孔を設け、その排出を促進するようにしている。
しかし、このような集合孔を設けても、水滴の除去が促進されず、依然として、水滞留が発生し、発電電圧が不安定となることが判明している。
【０００５】
【特許文献１】
特開２０００−１００４５８明細書
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記事情に対して、適切な水はけ構造を備え、固体高分子形燃料電池の発電性能の向上に寄与するようにした固体高分子形燃料電池用セパレータを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、高分子膜を介して一方の側にカソードを配し、他方の側にアノードを配し、上記カソードに酸化剤ガスを、上記アノードに燃料ガスをそれぞれ供給し、電池反応によって起電力を得る固体高分子形燃料電池に用いるセパレータにおいて、酸化剤ガス通路及び／又は燃料ガス通路を、畝を挟んで平行する少なくとも二以上の通路で形成し、上記酸化剤ガス通路及び／又は燃料ガス通路の、下流端から
以下の式（１）：
【数２】
（ｌ：通路断面の周長、γ：通路壁面に平行な方向の水の表面張力、μ：ガス粘度、：ガス流速、Ｄ：通路水力相当直径、Ｌｃ：水柱の形成される通路の全長）で規定される割合の長さより上流の区間に、上記畝を格子状構造とした水はけ構造を少なくとも一箇所設けたことを特徴とする。
【０００８】
本発明は、酸化剤ガスの通路及び／又は燃料ガスの通路がセル内で蛇行する形態であるようなセパレータに好適である。最も単に水平方向にのみ走る通路であっても適用することができる。「セル内で蛇行する形態」とは、例えば、セルに上方から酸化剤ガス又は燃料ガスが導入され、下方から排出される場合、一般に上下方向に対して垂直の方向に左右に往復しながら上方から下方に酸化剤ガス又は燃料ガスが流れることをいう。
【０００９】
本明細書中、「酸化剤ガス」として最も好適なものは空気である。しかしながら、燃料電池のカソード（空気極）へ供給される酸化剤ガスは空気のみには限定されず、電池反応に用いられる酸素を含むガスであれば使用することができる。また、アノード（燃料極）へ供給される燃料ガスは、水素リッチであれば、純粋水素はもとより燃料電池の性能を損ねない範囲での組成のガスを用いることができる。
【００１０】
上記水はけ構造は、正方形の畝を設けることにより構成した格子状構造とすることが好適である。上記正方形の畝の一辺は、０．５〜５．０ｍｍとし、畝同士のピッチを１．０〜１０．０ｍｍとし、格子状構造の長さは、１．５〜１０．０ｍｍとし、畝同士の間隔は、５ｍｍ以下とすることが好適である。上記酸化剤ガス通路及び／又は燃料ガス通路の溝幅は、０．５〜５ｍｍとすることが好適である。
【００１１】
上記正方形の畝の一辺は、０．８〜３．０ｍｍとすることがさらに好適である。また、畝同士のピッチは、１．６〜６．０ｍｍとすることがさらに好適である。上記酸化剤ガス通路及び／又は燃料ガス通路の溝幅は、０．５〜２．０ｍｍとすることがさらに好適である。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明を実施の形態を示して、詳細に説明する。以下の説明は本発明を説明する目的であって、限定するものではない。
【００１３】
まず、図１に、本発明に係るセパレータが用いられる固体高分子形燃料電池の一実施の形態を示す。
この実施の形態に係る固体高分子形燃料電池１は、図１に示すように、高分子膜２の一方の側面にカソード触媒層３を、他方の側面にアノード触媒層４を設け、これらを、ガスケット５を介してセパレータ６、７で挟んだ構造とし、これらを複数積層したセル構造となっている。図１は、この様子を概念的に示すために分解図の形態で表している。図１の下方には、これらを積層した燃料電池スタック８を示している。
【００１４】
ここで、本実施の形態の説明にあたり、便宜上、酸化剤ガスを空気と表現し、燃料ガスを水素と表現する。これらの空気、水素として表現したガスは、電池反応を経た後、当然に入口側と出口側とでその組成を異にしている。
セパレータ６、７は、空気通路を設けた部分と水素通路を設けた部分とを表裏で一体化している。図１は、高分子膜２を挟んでセパレータ６、７を前後に並べた形態として表現されている。なお、便宜上、後に示す図２では、空気通路を設けた部分と水素通路を設けた部分とを半割にして示している。
【００１５】
上記高分子膜２とセパレータ６、７とを貫いて、冷却水入口側管路９、空気入口側管路１０、水素入口側管路１１、冷却水出口側管路１２、空気出口側管路１３、水素出口側管路１４が形成されている。冷却水入口側管路９、空気入口側管路１０及び水素入口側管路１１から、各セル内に冷却水通路、空気通路、水素通路が分岐している。このようにして、マニホールド型の流路が構成されている。なお、「管路」とは、単セルが複数積層することにより、孔部が連続することにより形成される冷却水、酸化剤ガス、燃料ガスの流路を指称するために用いる語である。
【００１６】
図２は、アノード触媒層４側の水素の流れを説明するために、一般的なセルの一単位を概念的に示している。すなわち、セパレータ６の水素通路を設けた面を図１の矢印Ａ方向から示している。セパレータ６には、畝（溝壁）１５が設けられ、これによって複数の平行する水素通路１６が形成されている。なお、同様の通路が、セパレータ６の反対側に酸素のためにも設けられている。また、セパレータ７も同様の構成を備えている。
【００１７】
図３は、セパレータ６、７をカソード触媒層３側のセパレータ７ａ、アノード触媒層４側のセパレータ６ａとして表している。このようにして、セパレータ７ａと、カソード触媒層３と、高分子膜２と、アノード触媒層４と、セパレータ６ａとで一つの単セルを構成している。
【００１８】
これらセパレータ６ａ、７ａは、互いに隣接する単セルについて、その裏面同士を貼りあわせ、又は最初から互いに隣接する単セルのセパレータ６ａ、７ａを表裏一体のセパレータ６、７等として構成することができる。これによって、図１について先に述べたように、表裏に触媒層３、４を設けた高分子膜２とセパレータ６（又は７）とを交互に積層して多層構造の固体高分子形燃料電池（図１の燃料電池スタック８）を構成することができる。なお、両端のセパレータは、図３のセパレータ６ａ又は７ａのような構造とすることが好適である。
【００１９】
次に、図３を参照しつつ、図１、２との対応関係を流体の流れについて説明すると、カソード触媒層３側には、図１、２に示した空気入口側管路１０と流体的に接続した空気入口及びそれにさらに連続する空気通路１７が設けられている。ここを通った空気は空気出口を出て、図１、２に示した空気出口側管路１３から排出される。また、アノード触媒層４側には、図１、２に示した水素入口側管路１１と流体的に接続した水素入口及びそれにさらに連続する水素通路１６が設けられている。ここを通った水素は水素出口を出て、図１、２に示した水素出口側管路１４から排出される。
また、冷却水入口側管路９からの冷却水は、冷却水通路１８、１９を通って冷却水出口側管路１２へ排出される。
【００２０】
ここで、図４について、本発明の一実施の形態に係るセパレータの概要を示す。本実施の形態に係るセパレータ６は、図２について説明した実施の形態に係るセパレータ６と比較し、符号Ｂで示した箇所に相当する水はけ構造を備えている点で相違する。その他の図２と同一の参照番号で示した要素は、図２と実質的に同じであり、図２の要素と実質的に同一の機能を果たす。
【００２１】
図５の（ａ）に、上記水はけ構造を拡大して示す。この水はけ構造は、以下の式（１）：
【数３】
（ｌ：通路断面の周長、γ：通路壁面に平行な方向の水の表面張力、μ：ガス粘度、：ガス流速、Ｄ：通路水力相当直径、Ｌｃ：水柱の形成される通路の全長）で規定される割合の水柱の形成される通路長以上の通路に先立って形成している。換言すると、セルの下流端から式（１）で規定される割合の長さより上流の区間に、上記畝を格子状構造とした水はけ構造を少なくとも一箇所設けている。
すなわち、
【数４】
の長さ以上の長さの水柱２１が水はけ構造（図４のＢ）以降に形成されれば、圧損によって、セル外に排出されやすくなる。さらに、一般に固体高分子型燃料電ガス拡散層があるので、複数の通路間でガスが自由に動き、そのため通路内の圧力は一定の傾きをもって減少する。そのため、水柱が長いほど圧力差が大きくなる。なお、水はけ構造の後端は、畝１５の端部２２であり、ここから、（２）式で規定される長さ以上、流路長があれば、十分な長さの水柱が形成される。
【００２２】
図示のように、水はけ構造は、正方形の畝１５ａを設けることにより構成した格子状構造としている。正方形の畝１５ａの一辺の長さＣは、０．５〜５．０ｍｍとし、畝同士のピッチＰは、１．０〜１０．０ｍｍとし、格子状構造の長さＥは、１．５〜１０．０ｍｍとすることが好適である。ここで、ピッチＰは、畝１５ａの中心から隣接する畝１５ａの中心までの長さである。格子状構造の長さＥは、先行する畝１５の後側端２３と、後続の畝１５の前側端２２との間の距離として設定される。
上記水素通路１６の溝幅Ｗ１は、０．５〜５ｍｍとすることが好適である。畝同士の間隔Ｗ２、Ｗ３は、０．５〜５．０ｍｍとすることが好適である。
【００２３】
上記正方形の畝１５ａの一辺Ｃは、０．８〜３．０ｍｍとすることがさらに好適である。また、畝１５ａ同士のピッチＰは、１．６〜６．０ｍｍとすることがさらに好適である。上記水素通路の溝幅Ｗ１は、０．５〜２．０ｍｍとすることがさらに好適である。
【００２４】
なお、上記したように、溝幅Ｗ１、畝同士の間隔Ｗ２、Ｗ３に好適な範囲があるのは、これらが過長となると、ＧＤＬ（Ｇａｓ Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ Ｌａｙｅｒ）の溝（通路）への食い込みが大きくなり、その断面積が通路ごとに一定でなくなり、ガス流れが不均一となってしまうためである。また、より大きな理由として、溝幅Ｗ１、畝同士の間隔Ｗ２、Ｗ３が大きくなりすぎると、ＧＤＬの中を電子が迂回し、電気抵抗が過大となって発電性能が悪化してしまうからである。
また、図５の（ｂ）で示す、畝１５、畝１５ａの高さＦは，０．３〜２．０ｍｍとする。
【００２５】
ここで、図５の（ａ）に示す水はけ構造の作用について説明する。
電池反応によって、水素通路の随所に、生成水に起因する水滴２４が形成されると、これらは、水はけ構造に至って、水素通路１６のうち最下端の通路まで、落下する。そして、水はけ構造に後続する最下端の通路１６に集積する。そして、水柱２１が上記（１）式で規定される割合又は（２）式で規定される長さに成長すると、圧損により、水がセル外に排出されやすくなる。
なお、図５（ａ）の上下方向は、そのまま燃料電池スタックを設置した際の上下方向を規定している。すなわち、上記した機構によって水滴を落下させるように、水滴に重力成分がかかり、水柱２１が成長するように燃料電池スタックを設置する必要がある。
【００２６】
図５について説明した水はけ構造は、寸法制限を満たす限り、通路中の複数箇所に設けることができる。なお、複数箇所に水はけ構造を設ける場合は、水はけ構造間の距離を上記（１）式で規定される割合又は（２）式で規定される長さ以上とることが好ましい。
また、図４、５は、水素通路に関して説明したが、空気通路についても勿論このような水はけ構造を設けることができる。また、格子状構造は、図５のようなものに限らず、畝１５を断続させるものではなく、図６に示すように、二つの畝１５にまたがる幅以上の畝１５ａを設けた構造とすることもできる。
【００２７】
【実施例】
次に、本発明を、実施例を挙げてさらに詳細に説明する。以下の実施例は、本発明を例示するものであって、本発明を限定するものではない。
固体高分子形燃料電池として、図１、図３、図４、図５について説明したセパレータを採用したものを用いて以下示す作動条件、構成で連続運転にて発電効率に関する試験を行った。
Ｈ２ガス詳細 ：水素７５［％］、ＣＯ１０［ｐｐｍ］含有ガス
空気 ：大気中の空気をブロアで供給した。
Ｈ２ガス利用率 ：８０［％］
空気利用率 ：４０［％］
Ｈ２ガス相対湿度 ：１００［％］ （システム条件模擬、加湿ポットにて加湿）
空気相対湿度 ：１００［％］ （システム条件模擬、加湿ポットにて加湿）
セル温度 ：７０［℃］
電極面積 ：２００［ｃｍ２］
電流密度 ：０．２５［Ａ／ｃｍ２］
固体高分子膜 ：パーフルオロカーボンスルホン酸
アノード触媒 ：Ｐｔ−Ｒｕ担持カーボン
カソード触媒 ：Ｐｔ担持カーボン
セル積層数 ：４０［枚］
【００２８】
燃料電池のカソードに供給される空気としては、大気中の空気を取り込んで使用した。供給空気は、２５℃、５２ＮＬ／ｍｉｎでブロワから供給された。
また、実施例に係る燃料電池とは別に、従来例を想定し、図２に示すセパレータを備えた燃料電池を準備し、全く同様の条件で試験を行った。
【００２９】
これらのような実施例について、７０℃で燃料電池を運転した結果、従来の構造の燃料電池では，セパレータ内での水の排出が不十分となり，電圧が不安定になるセルが発現した。
これに対して、本発明の構造の燃料電池では、３５００時間でも電圧が不安定なセルは見られず、本発明に係る燃料電池用セパレータが水はけ構造において優れていることが確認された。
【００３０】
【発明の効果】
上記したところから明らかなように、本発明によれば、適切な水はけ構造を備え、固体高分子形燃料電池の発電性能の向上に寄与するようにした固体高分子形燃料電池用セパレータが提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明に係るセパレータが用いられる固体高分子形燃料電池の位置実施の形態を示す概念的分解図である。
【図２】図２は、一般的な固体高分子形燃料電池用セパレータを示す概念的立面図である。
【図３】図３は、図２に示したようなセパレータを用いた固体燃料電池の断面を例示する断面図である。
【図４】図４は、本発明に係る固体高分子形燃料電池用セパレータの一実施の形態を示す概念的立面図である。
【図５】図４のＢ部を拡大して示す立面図である。
【図６】別の形態の格子状水はけ構造を示す立面図である。
【符号の説明】
１ 固体高分子形燃料電池
２ 高分子膜
３ カソード触媒層
４ アノード触媒層
５ ガスケット
６、７ セパレータ
８ 燃料電池スタック
９ 冷却水入口側管路
１０ 空気入口側管路
１１ 水素入口側管路
１２ 冷却水出口側管路
１３ 空気出口側管路
１４ 水素出口側管路
１５ 畝
１６ 水素通路
１７ 空気通路
１８、１９ 冷却水通路
２１ 水柱[0001]
[Industrial application fields]
The present invention relates to a separator for a polymer electrolyte fuel cell.
[0002]
[Prior art]
The fuel cell uses a cell in which an air electrode as a cathode is arranged on one side of an electrolyte membrane made of a solid polymer (hereinafter also simply referred to as a polymer membrane), and a fuel electrode as an anode is arranged on the other side. An electromotive force is obtained by the following cell reaction in which an oxidant gas such as air is supplied to the cathode and a hydrogen-rich fuel gas is supplied to the anode to obtain water from hydrogen and oxygen.
[0003]
H 2 → 2H + + 2e − (Anode reaction)
2H + + 1 / 2O 2 + 2e − → H 2 O (cathode reaction)
[0004]
This battery reaction is accompanied by hydrogen supplied to the anode becoming hydrogen ions, and the hydrogen ions move from the anode side to the cathode side in the polymer membrane. Here, hydrogen ions move in the presence of moisture present in the polymer film, so that crossover of oxygen molecules and hydrogen molecules is unlikely to occur. However, if the oxidant gas passage and / or the fuel gas passage gets wet more than necessary with the progress of the reaction, a situation in which the gas flow is hindered by water droplets is caused.
For this reason, for example, in Patent Document 1, a collection hole of a plurality of adjacent gas passages is provided in order to remove the generated water, and the discharge thereof is promoted.
However, it has been found that even if such an assembly hole is provided, removal of water droplets is not promoted, water retention still occurs, and the generated voltage becomes unstable.
[0005]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-1000045
[Problems to be solved by the invention]
In view of the above circumstances, an object of the present invention is to provide a polymer electrolyte fuel cell separator that has an appropriate drainage structure and contributes to the improvement of power generation performance of the polymer electrolyte fuel cell. .
[0007]
[Means for Solving the Problems]
The present invention has been made in order to solve the above-mentioned problems. A cathode is disposed on one side through a polymer film, an anode is disposed on the other side, an oxidant gas is disposed on the cathode, and the anode is disposed on the cathode. In the separator used in the polymer electrolyte fuel cell, in which the fuel gas is supplied to each other and an electromotive force is obtained by the cell reaction, the oxidant gas passage and / or the fuel gas passage are formed by at least two passages parallel to each other with the soot interposed therebetween. The following equation (1) is formed from the downstream end of the oxidant gas passage and / or the fuel gas passage:
[Expression 2]
(L: circumference of passage cross section, γ: surface tension of water in the direction parallel to the passage wall surface, μ: gas viscosity, gas flow velocity, D: diameter equivalent to passage hydraulic force, L c : total length of passage in which water column is formed ) Is provided with at least one drainage structure in which the ridges are in a lattice-like structure in a section upstream from the length of the ratio defined in (1).
[0008]
The present invention is suitable for a separator in which the oxidizing gas passage and / or the fuel gas passage meander in the cell. Even a passage that runs only in the horizontal direction can be applied. The “form that meanders in the cell” means, for example, when oxidant gas or fuel gas is introduced into the cell from above and discharged from below, it is generally upward while reciprocating left and right in a direction perpendicular to the vertical direction. Means that the oxidant gas or the fuel gas flows downward.
[0009]
In this specification, the most preferable “oxidant gas” is air. However, the oxidant gas supplied to the cathode (air electrode) of the fuel cell is not limited to air, and any gas containing oxygen used for the cell reaction can be used. In addition, as long as the fuel gas supplied to the anode (fuel electrode) is hydrogen-rich, not only pure hydrogen but also a gas having a composition that does not impair the performance of the fuel cell can be used.
[0010]
The drainage structure is preferably a lattice structure configured by providing square ridges. One side of the square ridge is 0.5 to 5.0 mm, the pitch between the ridges is 1.0 to 10.0 mm, the length of the lattice structure is 1.5 to 10.0 mm, and the ridges are Is preferably 5 mm or less. The groove width of the oxidant gas passage and / or the fuel gas passage is preferably 0.5 to 5 mm.
[0011]
It is more preferable that one side of the square ridge is 0.8 to 3.0 mm. Moreover, it is more preferable that the pitch between the ridges is 1.6 to 6.0 mm. The groove width of the oxidant gas passage and / or the fuel gas passage is more preferably 0.5 to 2.0 mm.
[0012]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to embodiments. The following description is intended to illustrate the present invention and not to limit it.
[0013]
First, FIG. 1 shows an embodiment of a polymer electrolyte fuel cell in which a separator according to the present invention is used.
As shown in FIG. 1, a solid polymer fuel cell 1 according to this embodiment is provided with a cathode catalyst layer 3 on one side of a polymer membrane 2 and an anode catalyst layer 4 on the other side. The cell structure is formed by sandwiching a plurality of the separators 6 and 7 with the gasket 5 interposed therebetween. FIG. 1 is shown in the form of an exploded view for conceptually showing this state. A fuel cell stack 8 in which these are stacked is shown in the lower part of FIG.
[0014]
Here, in the description of the present embodiment, for convenience, the oxidant gas is expressed as air and the fuel gas is expressed as hydrogen. These gases expressed as air and hydrogen naturally have different compositions on the inlet side and the outlet side after undergoing a battery reaction.
In the separators 6 and 7, the portion provided with the air passage and the portion provided with the hydrogen passage are integrated on the front and back. FIG. 1 is expressed as a form in which separators 6 and 7 are arranged one behind the other with the polymer film 2 interposed therebetween. For convenience, in FIG. 2 shown later, the portion provided with the air passage and the portion provided with the hydrogen passage are shown in half.
[0015]
Through the polymer membrane 2 and the separators 6 and 7, the cooling water inlet side pipe line 9, the air inlet side pipe line 10, the hydrogen inlet side pipe line 11, the cooling water outlet side pipe line 12, and the air outlet side pipe line 13, a hydrogen outlet side pipe line 14 is formed. A cooling water passage, an air passage, and a hydrogen passage are branched into each cell from the cooling water inlet side conduit 9, the air inlet side conduit 10, and the hydrogen inlet side conduit 11. In this way, a manifold-type flow path is configured. Note that the “pipe” is a term used to designate a flow path of cooling water, oxidant gas, and fuel gas formed by stacking a plurality of single cells to form continuous holes.
[0016]
FIG. 2 conceptually shows one unit of a general cell in order to explain the flow of hydrogen on the anode catalyst layer 4 side. That is, the surface of the separator 6 on which the hydrogen passage is provided is shown from the direction of arrow A in FIG. The separator 6 is provided with ridges (groove walls) 15, thereby forming a plurality of parallel hydrogen passages 16. A similar passage is also provided for oxygen on the opposite side of the separator 6. The separator 7 has a similar configuration.
[0017]
FIG. 3 shows the separators 6 and 7 as the separator 7a on the cathode catalyst layer 3 side and the separator 6a on the anode catalyst layer 4 side. In this way, the separator 7a, the cathode catalyst layer 3, the polymer film 2, the anode catalyst layer 4, and the separator 6a constitute one single cell.
[0018]
These separators 6a and 7a can be configured such that single-cell separators 6a and 7a, which are adjacent to each other from the beginning, are bonded to each other from the beginning with respect to single cells adjacent to each other. Thus, as described above with reference to FIG. 1, the polymer membrane 2 provided with the catalyst layers 3 and 4 on the front and back and the separator 6 (or 7) are alternately laminated to form a solid polymer fuel cell having a multilayer structure. (Fuel cell stack 8 in FIG. 1) can be configured. It is preferable that the separators at both ends have a structure like the separator 6a or 7a in FIG.
[0019]
Next, the correspondence relationship between FIGS. 1 and 2 will be described with reference to FIG. 3 with respect to the flow of the fluid. On the cathode catalyst layer 3 side, the air inlet side conduit 10 shown in FIGS. And an air passage 17 continuing to the air inlet. The air passing through this exits the air outlet and is discharged from the air outlet side pipe line 13 shown in FIGS. Further, on the anode catalyst layer 4 side, a hydrogen inlet fluidly connected to the hydrogen inlet side pipe line 11 shown in FIGS. 1 and 2 and a hydrogen passage 16 further continuous therewith are provided. The hydrogen passing through this exits the hydrogen outlet and is discharged from the hydrogen outlet side pipe line 14 shown in FIGS.
Further, the cooling water from the cooling water inlet side conduit 9 is discharged to the cooling water outlet side conduit 12 through the cooling water passages 18 and 19.
[0020]
Here, FIG. 4 shows an outline of the separator according to one embodiment of the present invention. The separator 6 according to the present embodiment is different from the separator 6 according to the embodiment described with reference to FIG. 2 in that the separator 6 has a drainage structure corresponding to the portion indicated by the symbol B. The other elements indicated by the same reference numerals as those in FIG. 2 are substantially the same as those in FIG. 2 and perform substantially the same functions as those in FIG.
[0021]
FIG. 5A shows an enlarged view of the drainage structure. This drainage structure has the following formula (1):
[Equation 3]
(L: circumference of passage cross section, γ: surface tension of water in the direction parallel to the passage wall surface, μ: gas viscosity, gas flow velocity, D: diameter equivalent to passage hydraulic force, L c : total length of passage in which water column is formed ) Is formed prior to a passage longer than the passage length in which the water column is formed in the proportion specified in (1). In other words, at least one drainage structure in which the ridges are in a lattice structure is provided in a section upstream from the length of the ratio defined by the formula (1) from the downstream end of the cell.
That is,
[Expression 4]
If the water column 21 having a length equal to or longer than the length of the water column 21 is formed after the drainage structure (B in FIG. 4), it is easily discharged out of the cell due to pressure loss. Furthermore, since there is generally a solid polymer type fuel cell gas diffusion layer, the gas freely moves between the plurality of passages, so that the pressure in the passages decreases with a certain slope. Therefore, the longer the water column, the greater the pressure difference. In addition, the rear end of the drainage structure is the end portion 22 of the eaves 15, and from here, if the flow path length is equal to or longer than the length defined by the expression (2), a sufficiently long water column is formed. .
[0022]
As shown in the figure, the drainage structure is a lattice structure configured by providing square ridges 15a. The length C of one side of the square ridge 15a is 0.5 to 5.0 mm, the pitch P between the ridges is 1.0 to 10.0 mm, and the length E of the lattice structure is 1.5 to 5.0 mm. It is preferable to set it as 10.0 mm. Here, the pitch P is the length from the center of the flange 15a to the center of the adjacent flange 15a. The length E of the lattice-like structure is set as the distance between the rear end 23 of the preceding ridge 15 and the front end 22 of the subsequent ridge 15.
The groove width W1 of the hydrogen passage 16 is preferably 0.5 to 5 mm. The distances W2 and W3 between the ridges are preferably 0.5 to 5.0 mm.
[0023]
More preferably, the side C of the square ridge 15a is 0.8 to 3.0 mm. Further, it is more preferable that the pitch P between the flanges 15a is 1.6 to 6.0 mm. The groove width W1 of the hydrogen passage is more preferably 0.5 to 2.0 mm.
[0024]
As described above, there are suitable ranges for the groove width W1 and the gaps W2 and W3 between the flanges. If these are excessively long, the bite into the groove (passage) of the GDL (Gas Diffusion Layer) is large. This is because the cross-sectional area is not constant for each passage, and the gas flow becomes non-uniform. Further, as a larger reason, if the groove width W1 and the gaps W2 and W3 between the ridges become too large, electrons bypass the GDL, and the electric resistance becomes excessive, resulting in deterioration of power generation performance. .
Further, the height F of the flange 15 and the flange 15a shown in FIG. 5B is set to 0.3 to 2.0 mm.
[0025]
Here, the action of the drainage structure shown in FIG.
When the water droplets 24 resulting from the generated water are formed everywhere in the hydrogen passage due to the battery reaction, they reach the drainage structure and fall to the lowermost passage in the hydrogen passage 16. And it accumulates in the lowermost passage 16 following the drainage structure. And if the water column 21 grows to the ratio prescribed | regulated by said (1) Formula, or the length prescribed | regulated by (2) Formula, it will become easy to discharge | emit water outside a cell by pressure loss.
The vertical direction in FIG. 5A defines the vertical direction when the fuel cell stack is installed as it is. That is, it is necessary to install the fuel cell stack so that a gravity component is applied to the water droplet and the water column 21 grows so that the water droplet is dropped by the mechanism described above.
[0026]
The drainage structure described with reference to FIG. 5 can be provided at a plurality of locations in the passage as long as the dimensional limit is satisfied. In addition, when providing a drainage structure in multiple places, it is preferable to take the distance between drainage structures more than the ratio prescribed | regulated by said (1) Formula, or the length prescribed | regulated by (2) Formula.
4 and 5 are described with respect to the hydrogen passage, of course, such a drainage structure can be provided for the air passage. In addition, the lattice structure is not limited to that shown in FIG. 5, and does not interrupt the ridges 15. As shown in FIG. 6, the lattice structure has a structure provided with ridges 15 a having a width that spans the two ridges 15. You can also.
[0027]
【Example】
Next, the present invention will be described in more detail with reference to examples. The following examples illustrate the invention and do not limit the invention.
As the polymer electrolyte fuel cell, the one using the separator described with reference to FIGS. 1, 3, 4, and 5 was tested for power generation efficiency under continuous operation under the following operating conditions and configuration.
H 2 gas details: Hydrogen 75 [%], CO 10 [ppm] -containing gas Air: Air in the atmosphere was supplied by a blower.
H 2 gas utilization rate: 80%
Air utilization rate: 40 [%]
H 2 gas relative humidity: 100 [%] (simulation of system conditions, humidification in humidification pot)
Air relative humidity: 100 [%] (simulation of system conditions, humidification with humidification pot)
Cell temperature: 70 [° C]
Electrode area: 200 [cm 2 ]
Current density: 0.25 [A / cm 2 ]
Solid polymer membrane: Perfluorocarbon sulfonic acid anode catalyst: Pt-Ru supported carbon cathode catalyst: Pt supported carbon cell stacking number: 40 [sheets]
[0028]
As air supplied to the cathode of the fuel cell, air in the atmosphere was taken in and used. Supply air was supplied from the blower at 25 ° C. and 52 NL / min.
In addition to the fuel cell according to the example, assuming a conventional example, a fuel cell provided with the separator shown in FIG. 2 was prepared and tested under exactly the same conditions.
[0029]
As a result of operating the fuel cell at 70 ° C. for the examples as described above, in the fuel cell having the conventional structure, water was insufficiently discharged in the separator, and a cell in which the voltage became unstable appeared.
On the other hand, in the fuel cell having the structure of the present invention, no cell with unstable voltage was found even after 3500 hours, and it was confirmed that the fuel cell separator according to the present invention was excellent in the drainage structure.
[0030]
【The invention's effect】
As is apparent from the above description, according to the present invention, there is provided a polymer electrolyte fuel cell separator having an appropriate drainage structure and contributing to the improvement of the power generation performance of the polymer electrolyte fuel cell. The
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a conceptual exploded view showing a position embodiment of a polymer electrolyte fuel cell in which a separator according to the present invention is used.
FIG. 2 is a conceptual elevation view showing a general polymer electrolyte fuel cell separator.
FIG. 3 is a cross-sectional view illustrating a cross section of a solid fuel cell using the separator as shown in FIG. 2;
FIG. 4 is a conceptual elevational view showing an embodiment of a polymer electrolyte fuel cell separator according to the present invention.
FIG. 5 is an elevational view showing an enlarged portion B of FIG. 4;
FIG. 6 is an elevation view showing another form of lattice drainage structure.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Polymer electrolyte fuel cell 2 Polymer membrane 3 Cathode catalyst layer 4 Anode catalyst layer 5 Gaskets 6 and 7 Separator 8 Fuel cell stack 9 Cooling water inlet side pipe 10 Air inlet side pipe 11 Hydrogen inlet side pipe 12 Cooling Water outlet side conduit 13 Air outlet side conduit 14 Hydrogen outlet side conduit 15 畝 16 Hydrogen passage 17 Air passages 18, 19 Cooling water passage 21 Water column
