JP2005071734A - Fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は燃料電池に関し、とくにセパレータの凸部の、拡散層との接触部の構造に関する。 The present invention relates to a fuel cell, and more particularly, to a structure of a contact portion between a convex portion of a separator and a diffusion layer.
固体高分子電解質型燃料電池は、膜−電極アッセンブリ(MEA:Membrane-Electrode Assembly )とセパレータとの積層体(ただし、積層方向は任意でよい)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。 A solid polymer electrolyte fuel cell is composed of a laminate of a membrane-electrode assembly (MEA) and a separator (however, the lamination direction may be arbitrary). The membrane-electrode assembly includes an electrolyte membrane composed of an ion exchange membrane, an electrode composed of a catalyst layer disposed on one surface of the electrolyte membrane (anode, fuel electrode), and an electrode composed of a catalyst layer disposed on the other surface of the electrolyte membrane ( Cathode, air electrode). Between the membrane-electrode assembly and the separator, diffusion layers are provided on the anode side and the cathode side, respectively. In the separator, a fuel gas passage for supplying fuel gas (hydrogen) to the anode is formed, and an oxidizing gas passage for supplying oxidizing gas (oxygen, usually air) to the cathode. The separator is also formed with a refrigerant channel for flowing a refrigerant (usually cooling water). A cell is formed by stacking a membrane-electrode assembly and a separator, a module is formed from at least one cell, a module is stacked to form a cell stack, and terminals, insulators, end plates are formed at both ends of the cell stack in the cell stacking direction. The cell stack is clamped in the cell stacking direction and fixed with fastening members (for example, tension plates), bolts, and nuts extending in the cell stacking direction to form a stack.
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。 In each cell, a reaction for converting hydrogen into hydrogen ions (protons) and electrons is performed on the anode side, and the hydrogen ions move through the electrolyte membrane to the cathode side. On the cathode side, oxygen, hydrogen ions, and electrons (neighboring MEA) Next, the following reaction is performed to generate water from electrons generated at the anode of the first electrode through the separator or electrons generated at the anode of the cell at one end in the cell stacking direction through the external circuit to the cathode of the other cell.
アノード側:H2 →2H+ +2e-
カソード側:2H+ +2e- +(1/2)O2 →H2 O
特開2001−143725号公報は、ストレート部と屈曲部とを有するガス流路に拡散層と接触し導通する複数の凸部を備えるセパレータを開示している。
しかし、セパレータの各凸部が押圧する、拡散層の凸部直下部分にはガスの回り込みが悪く、燃料電池性能を低下させる。拡散層の凸部直下部分へのガスの回り込みをよくするために、特開2001−143725号公報の燃料電池では、凸部の頂面(集電部)の面積を小にするとともに均一面積としている。しかし、凸部の頂面を小面積かつ均一にすると、均一流路のストレート部では、凸部がガス流れ方向に長ランドとならずに短ランドとなり、ガス流れが短ランドの流れ対向面がガス流れの妨げとなってガス流速が低下し、単位時間あたりの電極のガス接触が低下して、発電効率の低下を招いている。また、流路の屈曲では、面圧を一定にするため、凸部がガス流れ方向と無関係に配置されており、ガス流速低下の原因となっている。
Cathode side: 2H + + 2e − + (1/2) O 2 → H 2 O
Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-143725 discloses a separator having a plurality of convex portions that are in contact with and in conduction with a diffusion layer in a gas flow path having a straight portion and a bent portion.
However, gas wrap-around is poor at the portion immediately below the convex portion of the diffusion layer, which is pressed by each convex portion of the separator, and the fuel cell performance is deteriorated. In order to improve the flow of gas to the portion immediately below the convex portion of the diffusion layer, in the fuel cell of Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-143725, the area of the top surface (current collector) of the convex portion is made small and uniform. Yes. However, when the top surface of the convex portion is made small and uniform, the straight portion of the uniform flow path has a short land instead of a long land in the gas flow direction, and the gas flow has a short land facing surface. The gas flow is hindered, the gas flow rate is lowered, the gas contact of the electrode per unit time is lowered, and the power generation efficiency is lowered. Further, in the bending of the flow path, the convex portions are arranged regardless of the gas flow direction in order to keep the surface pressure constant, which causes a decrease in the gas flow velocity.
本発明が解決しようとする問題点は、従来の燃料電池の凸部構造では、拡散層の凸部直下部分へのガスの回り込み性と流路のストレート部や屈曲部におけるガス流速の維持とが両立しないという問題である。 The problem to be solved by the present invention is that in the conventional convex structure of a fuel cell, the gas wraparound property to the portion immediately below the convex part of the diffusion layer and the maintenance of the gas flow rate in the straight part or the bent part of the flow path are as follows. The problem is that they are not compatible.
本発明の目的は、拡散層の凸部直下部分へのガスの回り込み性を良くするとともに、流路のストレート部または屈曲部におけるガス流速を維持することができる、燃料電池を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a fuel cell that can improve the gas wrapping property to the portion immediately below the convex portion of the diffusion layer and can maintain the gas flow rate in the straight portion or the bent portion of the flow path. .
上記課題を解決する、そして上記目的を達成する、本発明はつぎの通りである。
(1)単セルを複数積層して構成され、前記単セルが、電解質を挟む一対の電極と、ガス流路を有し該ガス流路内に複数の凸部を有するセパレータと、前記電極と前記セパレータとの間に設けられた拡散層と、を備えた燃料電池であって、前記凸部の頂面に、前記拡散層の凸部頂面によって押されている部分にガスを流す溝を設けた燃料電池。
(2)前記凸部の頂面の溝を、前記凸部の頂面が該溝によって面内方向に区切られてできる集電部がほぼ均一な面積となるように、設定した(1)記載の燃料電池。
(3)前記溝の深さは、前記拡散層が前記集電部によって押された時に前記拡散層がつぶれる量以上で、かつ、前記セパレータの前記ガス流路の深さより小である(2)記載の燃料電池。
(4)前記溝が、前記ガス流路のガス流れと同じ方向に延びる第1の溝と、該第1の溝と交わる方向に延びる第2の溝を有し、前記第2の溝を、前記第1の溝に対して斜交するように設けた(1)記載の燃料電池。
(5)前記溝が、前記ガス流路のガス流れと同じ方向に延びる第1の溝を有し、該第1の溝は、前記セパレータのガス流路の屈曲部においては該屈曲部を流れるガス流れに沿った方向に傾けられている(1)記載の燃料電池。
(6)前記凸部が、前記ガス流路の屈曲部に設けられた短ランドと、前記ガス流路の直線部に設けられた長ランドとを有し、前記溝が前記長ランドに設けた段差の低部分からなり、該段差の低部分からなる溝によって、前記長ランドの集電部の面積が前記短ランドの集電部の面積とほぼ等しくなるように前記溝が前記長ランドに切られている(1)記載の燃料電池。
The present invention for solving the above problems and achieving the above object is as follows.
(1) It is configured by laminating a plurality of single cells, and the single cell includes a pair of electrodes sandwiching an electrolyte, a separator having a gas flow path and a plurality of convex portions in the gas flow path, and the electrodes. A diffusion layer provided between the separator and a groove on the top surface of the convex portion for flowing a gas to a portion pressed by the top surface of the convex portion of the diffusion layer. Fuel cell provided.
(2) The groove on the top surface of the convex portion is set so that the current collecting portion formed by dividing the top surface of the convex portion in the in-plane direction by the groove has a substantially uniform area (1) Fuel cell.
(3) The depth of the groove is equal to or greater than the amount by which the diffusion layer is crushed when the diffusion layer is pushed by the current collector, and is smaller than the depth of the gas flow path of the separator (2) The fuel cell as described.
(4) The groove has a first groove extending in the same direction as the gas flow in the gas flow path, and a second groove extending in a direction intersecting the first groove, and the second groove is The fuel cell according to (1), wherein the fuel cell is provided so as to cross obliquely with respect to the first groove.
(5) The groove has a first groove extending in the same direction as the gas flow in the gas flow path, and the first groove flows through the bent portion in the bent portion of the gas flow path of the separator. The fuel cell according to (1), wherein the fuel cell is inclined in a direction along the gas flow.
(6) The convex portion includes a short land provided in a bent portion of the gas flow path and a long land provided in a straight portion of the gas flow path, and the groove is provided in the long land. The groove is cut into the long land so that the area of the current collecting part of the long land is substantially equal to the area of the current collecting part of the short land by the groove comprising the low part of the step. The fuel cell according to (1).
上記(1)の燃料電池によれば、凸部の頂面に、拡散層の凸部頂面によって押されている部分に溝を設けたので、この溝を通ってガスが流通することにより、拡散層の凸部頂面によって押されている部分へのガスの回り込みが良くなり、燃料電池の発電性能が向上する。また、凸部に設けた溝の深さを適宜に設定する、たとえば、凸部の高さに比べて溝の深さを小とし、ストレート流路では凸部をガス流れ方向に長くすること等により、ガス流路を流れるガスを凸部によってガイドして、ガス流速を維持することができ、単位時間あたりの電極のガス接触量を維持して、発電効率を良好に維持することができる。
上記(2)の燃料電池によれば、凸部の頂面が溝によって面内方向に区切られてできる複数の集電部がほぼ均一な面積となるように、溝を設定したので、集電部が拡散層を押す面圧が均一化され、電解質膜に加わる面圧を均一にすることができる。その結果、面圧にばらつきがある場合に比べて、膜全体が良好に利用されて発電性能が向上する他、面圧が高い部位で膜が損傷して耐久性が低下するという問題も除去できる。
上記(3)の燃料電池によれば、溝の深さが、拡散層が集電部によって押された時に拡散層がつぶれる量以上であるため、スタック締結力によって、凸部により押された拡散層部分がつぶれてもなお溝にガスが回り込むことができ、その部分での発電が維持される。また、溝の深さが、セパレータのガス流路の深さより小であるため、ストレート流路で凸部が長ランドであっても、溝の形成部になお凸部が残っており、ガスをガイドしてガス流速を維持することができる。
According to the fuel cell of the above (1), since the groove is provided in the portion pressed by the top surface of the diffusion layer on the top surface of the convex portion, the gas flows through this groove, Gas wraps around the portion pressed by the convex top surface of the diffusion layer, and the power generation performance of the fuel cell is improved. Also, the depth of the groove provided on the convex portion is set appropriately, for example, the depth of the groove is made smaller than the height of the convex portion, and the convex portion is elongated in the gas flow direction in the straight flow path, etc. Thus, the gas flowing through the gas flow path can be guided by the convex portion to maintain the gas flow rate, the gas contact amount of the electrode per unit time can be maintained, and the power generation efficiency can be maintained well.
According to the fuel cell of the above (2), since the grooves are set so that a plurality of current collecting portions formed by dividing the top surface of the convex portion in the in-plane direction by the grooves have a substantially uniform area, The surface pressure at which the portion pushes the diffusion layer is made uniform, and the surface pressure applied to the electrolyte membrane can be made uniform. As a result, compared to the case where the surface pressure varies, the entire membrane is used better and power generation performance is improved, and the problem that the membrane is damaged and the durability is lowered at a portion where the surface pressure is high can be eliminated. .
According to the fuel cell of (3) above, since the depth of the groove is equal to or greater than the amount by which the diffusion layer is crushed when the diffusion layer is pressed by the current collector, the diffusion pressed by the convex portion by the stack fastening force Even if the layer portion is crushed, the gas can still enter the groove, and power generation in that portion is maintained. In addition, since the depth of the groove is smaller than the depth of the gas flow path of the separator, even if the convex portion is a long land in the straight flow path, the convex portion still remains in the groove forming portion, It can be guided to maintain the gas flow rate.
上記(4)の燃料電池によれば、溝が、ガス流れと同じ方向に延びる第1の溝と、該第1の溝と交わる方向に延びる第2の溝を有し、第2の溝を、第1の溝に対して斜交するように設けたので、集電部に生成した水の排出性が良くなる。第1の溝内の生成水は第1の溝に入ったガスで押出され、斜めの第2の溝内の生成水は第1の溝から第2の溝に入るガスで押し出されるとともに、凸部の側面を流れるガスで引き出される。
上記(5)の燃料電池によれば、溝が、ガス流路のガス流れと同じ方向に延びる第1の溝を有し、該第1の溝は、セパレータのガス流路の屈曲部においては該屈曲部を流れるガス流れに沿った方向に傾けられているので、屈曲部を含みガス流路の全長にわたって流路圧損が小さく、発電効率を向上させることができる。また、ガス流路の屈曲部のガス流れを良好に維持して、単位時間あたりの電極のガス接触量を大に維持できるので、発電効率を向上させることができる。
上記(6)の燃料電池によれば、溝が流路ストレート部の長ランドに設けた溝からなり、溝によって、長ランドの各集電部の面積が流路屈曲部の短ランドの集電部の面積とほぼ等しくされているので、長ランドの各集電部の面圧と短ランドの集電部の面圧とがほぼ均一になり、突出した面圧が無くなることによって電解質膜へ与えるダメージを少なくすることができる。その結果、燃料電池の耐久性を向上することができる。
According to the fuel cell of (4), the groove has a first groove extending in the same direction as the gas flow, and a second groove extending in a direction intersecting the first groove, and the second groove is Since the first groove is provided so as to be oblique to the first groove, the discharge of water generated in the current collector is improved. The generated water in the first groove is pushed out by the gas entering the first groove, and the generated water in the oblique second groove is pushed out by the gas entering the second groove from the first groove and protruded. It is drawn out by the gas flowing on the side of the part.
According to the fuel cell of (5), the groove has the first groove extending in the same direction as the gas flow in the gas flow path, and the first groove is at the bent portion of the gas flow path of the separator. Since it is inclined in the direction along the gas flow flowing through the bent portion, the flow path pressure loss is small over the entire length of the gas flow path including the bent portion, and the power generation efficiency can be improved. In addition, since the gas flow in the bent portion of the gas flow path can be maintained satisfactorily and the gas contact amount of the electrode per unit time can be maintained large, the power generation efficiency can be improved.
According to the fuel cell of the above (6), the groove is formed by a groove provided in the long land of the flow path straight portion, and the area of each current collecting portion of the long land is reduced by the groove. Since the surface pressure of each current collecting portion of the long land and the surface pressure of the current collecting portion of the short land are substantially uniform, and the protruding surface pressure is eliminated, it is applied to the electrolyte membrane. Damage can be reduced. As a result, the durability of the fuel cell can be improved.
以下に、本発明の燃料電池を図1〜図13を参照して説明する。図1−図3は本発明の実施例1を示し、図4−図7は本発明の実施例2を示し、図8は本発明の実施例3を示し、図9、図10は本発明の実施例4を示し、図11、図12は本発明の実施例5を示す。図13は、本発明の何れの実施例にも共通に適用可能である。
本発明の何れの実施例にわたって共通する構成部分には、本発明の全実施例にわたって同じ符号が付してある。
Below, the fuel cell of this invention is demonstrated with reference to FIGS. 1 to 3 show Embodiment 1 of the present invention, FIGS. 4 to 7 show Embodiment 2 of the present invention, FIG. 8 shows Embodiment 3 of the present invention, and FIGS. 9 and 10 show the present invention. Example 4 is shown, and FIGS. 11 and 12 show Example 5 of the present invention. FIG. 13 is commonly applicable to any of the embodiments of the present invention.
Components common to any embodiment of the present invention are labeled with the same reference numerals throughout all embodiments of the present invention.
まず、本発明の全実施例にわたって共通する構成を、たとえば、図2、図3、図13を参照して説明する。
本発明の燃料電池は固体高分子電解質型燃料電池10である。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。
First, a configuration common to all the embodiments of the present invention will be described with reference to FIGS. 2, 3, and 13, for example.
The fuel cell of the present invention is a solid polymer
固体高分子電解質型燃料電池10は、図2、図3、図13に示すように、膜−電極アッセンブリ(MEA:Membrane-Electrode Assembly )とセパレータ18との積層体からなる。積層方向は任意である。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を有する電極(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を有する電極(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、ガスを拡散する拡散層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。
As shown in FIGS. 2, 3, and 13, the solid polymer
The membrane-electrode assembly and the
セパレータ18は、カーボン、または金属、または金属と樹脂、または導電性を付与された樹脂、の何れか、またはその組み合わせ、からなる。
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。また、セパレータ18のガス流路27、28と反対側の面には冷媒(通常、冷却水)を流すための冷媒流路(図示略)も形成される。冷媒流路はセル毎に、または複数のセル毎に(たとえば、モジュール毎に)設けられる。ガス流路27、28は、セパレータ18に形成された凹部からなり、凹部の底には縞状に配置された、後述する凸部29が形成され、凸部29間のスペースにガスが流れる。
The
The
図3に示すように、燃料ガス流路27は、ガス入口27aと、ガス出口27bと、1以上の屈曲部(折り返し部)27cと、屈曲部27c同士または屈曲部27cとガス入口27aまたはガス出口27bを結ぶ複数のストレート部27dを有する。同様に、酸化ガス流路28は、ガス入口28aと、ガス出口28bと、1以上の屈曲部(折り返し部)28cと、屈曲部28c同士または屈曲部28cとガス入口28aまたはガス出口28bを結ぶ複数のストレート部28dを有する。隣接するストレート部27d、28d間には、隣接するストレート部27d、28dを区切るリブ部27e、28eが設けられている。
As shown in FIG. 3, the
セパレータ18には、ガス流路27、28の底面から電極14、17側に向かって突出する複数の凸部29が形成されている。
凸部29のうち、ガス流路の屈曲部27c、28cにある凸部はほぼガス流れ方向に短く延びる、たとえばほぼ正方形状(ただし、正方形に限るものではなく、円形や楕円形などであってもよい)の、短ランドからなっていてもよい。また、ガス流路のストレート部27d、28dにある凸部はほぼガス流れ方向に長く延びる、たとえばほぼ矩形状(ただし、矩形に限るものではない)の、長ランドからなっていてもよい(ただし、短ランドでもよい)。
The
Among the
複数の凸部29のうち、少なくとも一部の凸部には(全凸部でもよい)、その凸部29の頂部に、溝31が設けられている。溝31は、燃料ガス流路27の凸部29にだけ設けられてもよいし、酸化ガス流路28の凸部29にだけ設けられてもよいし、燃料ガス流路27と酸化ガス流路28の両方の流路の凸部29に設けられてもよい。溝31は、拡散層13、16の、凸部29頂面によって押されている部分にガスを流し、凸部29直下の電極14、17部分にもガスを供給する。溝31はガス流れ方向に切ることによって、ガス流れのガイドともなる。この意味で、「溝」31を「ガイド」といってもよい。また、溝31は、凸部29の拡散層13、16との接触部からの排水の役割も果たす。
各凸部26は、溝31が形成されている凸部ではその溝31を除いて、頂部で、拡散層14、17に当接し、拡散層14、17と導通して、集電部30を形成している。ここで、「集電部」30とは、凸部26の頂面の、溝31を除いた部分をいう。凸部29の頂部が溝31で複数の集電部30に区切られている場合には、1つの凸部29は、その頂部に、複数の集電部30をもつ。頂部が溝部31で区切られていない場合には、1つの凸部29は、その頂部に、1つの集電部30をもつ。
Among the plurality of
Each convex part 26 is in contact with the diffusion layers 14 and 17 at the top, except for the
凸部29の頂面の溝31は、凸部29の頂面が該溝31によって面内方向に区切られてできる集電部30がほぼ均一な面積となるように、設定される。集電部30がほぼ均一な面積となることにより、集電部30が拡散層13、16を押圧する面圧(単位面積当たりの押圧荷重)がほぼ均一になる。凸部29が長ランドの場合は、短ランドの場合に比べて大きな面圧が働くことがあり、集電部30の面圧のばらつきが大きいが、溝31により集電部30の面積をほぼ均一にすることにより、集電部30の面圧もほぼ均一になる。
The
溝31の深さは、拡散層13、16が集電部30によって押された時に拡散層13、16がつぶれる量以上で、かつ、セパレータ18のガス流路27、28の深さ(凸部29の高さでもある)より小である。
溝31の深さを拡散層13、16のつぶれ量以上とすることにより、拡散層13、16が集電部30によって押された時にも溝31が残り、凸部直下の拡散層部分へのガスを回り込ます。
また、溝31の深さをセパレータ18の凸部29の高さより小としたので、溝31がある部分においても凸部29の根元は残り、その凸部29の根元の側面は、ガス流路27、28を流れるガスをガイドし、ガス流れ方向の流速を維持する。これに対し、溝31を設けないで従来の縞状凸部の面積を小さくするだけでは、ガスの一部はガス流れ方向に凸部と凸部の間に入って対向する凸部の面に当たるので、凸部が大きな流れ抵抗になり、ガス流れ方向の流速は弱められやすい。
The depth of the
By setting the depth of the
Further, since the depth of the
つぎに、上記の本発明の全実施例に共通する構成部分の作用、効果を説明する。
凸部29の頂面に、拡散層13、16の凸部29頂面によって押されている部分に溝31を設けたので、この溝31を通ってガスが流通することにより、拡散層13、16の凸部29頂面によって押されている部分へのガスの回り込みが良くなる。その結果、燃料電池の発電性能が向上する。
また、凸部29に設けた溝31の深さを適宜に設定することにより(たとえば、凸部29の高さに比べて溝31の深さを小とすることにより)、また、ストレート流路では凸部29をガス流れ方向に長くすること等により、ガス流路27、28を流れるガスを凸部29によってガイドすることができ、ガス流速を大に維持することができる。その結果、単位時間あたりの電極14、17のガス接触量を維持して、発電効率を良好に維持することができる。
Next, operations and effects of the components common to all the embodiments of the present invention will be described.
Since the
Further, by setting the depth of the
また、凸部29の頂面が溝31によって面内方向に区切られてできる複数の集電部30が全集電部にわたってほぼ均一な面積となるように、溝31を設定したので、集電部30が拡散層13、16を押す面圧が均一化され、電解質膜11に加わる面圧を均一にすることができる。その結果、面圧にばらつきがある場合に比べて、膜の全域にガスが供給されて膜全体が良好に利用され、発電性能が向上する他、面圧が高い部位で膜11が損傷して燃料電池10の耐久性が低下するという問題も解決できる。
In addition, since the
溝31の深さが、拡散層13、16が集電部30によって押された時に拡散層13、16がつぶれる量以上であるため、スタック締結力によって、凸部29により押された拡散層部分がつぶれてもなお溝31にガスが回り込むことができ、その部分での発電が維持される。
また、溝31の深さが、凸部29の高さより小であるため、ストレート部で凸部が長ランドであっても、溝31の形成部になお凸部29の根元が残っており、ガスをガイドしてガス流速を維持することができる。
Since the depth of the
Further, since the depth of the
つぎに、本発明の各実施例に特有な部分を説明する。
本発明の実施例1においては、図1−図3に示すように、ガス流路27、28の少なくとも一方の流路内に、屈曲部27c、28cもストレート部27d、28dにおいても、互いに同形状の(たとえば、平面視で正方形の)凸部29が形成されており、各凸部29には、少なくとも1本の第1の溝31aとそれと直交する少なくとも1本の第2の溝31bが切ってある。図1、図2の例では、第1の溝31aが1本で、第2の溝31bが1本で、十字の溝31が切ってある。凸部と凸部の間の空間はガスが流れる流路を構成する。溝31の深さは凸部29の高さより小である。
本発明の実施例1の作用、効果は、凸部直下の拡散層部分へのガスの回り込みとその部分の排水性が確保され、かつ、ガス流速を良好に維持できることである。
Next, parts specific to each embodiment of the present invention will be described.
In the first embodiment of the present invention, as shown in FIGS. 1 to 3, the
The effect | action and effect of Example 1 of this invention are that the wraparound of the gas to the diffusion layer part right under a convex part and the drainage of the part are ensured, and can maintain a gas flow rate favorably.
本発明の実施例2においては、図4−図7に示すように、ガス流路27、28の少なくとも一方の流路内に、凸部31が形成されており、屈曲部27c、28cにおける凸部31の形状は短ランド(たとえば、平面視で正方形)であり、ストレート部27d、28dにおける凸部31の形状はガス流れ方向に長く延びた長ランド(たとえば、平面視で長辺がガス流れ方向に延びる長方形)とされている。短ランドの凸部29には、少なくとも1本の第1の溝31aとそれと直交する少なくとも1本(第1の溝31aと同数)の第2の溝31bが切ってある。図1、図2の例では、第1の溝31aが1本で、第2の溝31bが1本で、十字の溝31が切ってある。長ランドの凸部29には、ガス流れ方向と平行に少なくとも1本の第1の溝31aとそれと直交する少なくとも1本(第1の溝31aより多い数)の第2の溝31bが切ってある。図1、図2の例では、第1の溝31aが1本で、第2の溝31bが3本の、溝31が切ってある。凸部と凸部の間の空間はガスが流れる流路を構成する。溝31の深さは凸部29の高さより小である。
本発明の実施例2の作用、効果は、凸部直下の拡散層部分へのガスの回り込みとその部分の排水性が確保され、かつ、ガス流速を良好(実施例1よりも良好)に維持できることである。短ランドの集電部31も長ランドの集電部31も、ほぼ同じ面積で、面圧が均一化されている。従来は長ランドでの面圧のばらつきにより、長ランド直下の膜11の耐久性が低下していたが、本発明の実施例2では長ランド直下の膜の耐久性が短ランド直下の膜の耐久性程度に改善される。
In Example 2 of the present invention, as shown in FIGS. 4 to 7, a
The operation and effect of the second embodiment of the present invention are as follows. The gas wraps around the diffusion layer portion immediately below the convex portion and the drainage of the portion is ensured, and the gas flow rate is good (better than the first embodiment). It can be done. The
本発明の実施例3においては、図8に示すように、ガス流路27、28の少なくとも一方の流路内に、凸部31が形成されている。ストレート部27d、28dにおける凸部31の形状はガス流れ方向に長く延びた長ランドとされている。長ランドの凸部29には、ガス流れ方向と平行に少なくとも1本の第1の溝31aとそれと斜交する少なくとも1本(第1の溝31aより多い数)の第2の溝31bが切ってある。図1、図2の例では、第1の溝31aが1本で、第2の溝31bが第1の溝31aの片側で4本、両側で8本の、溝31が切ってある。
本発明の実施例3の作用、効果については、第2の溝31bを、第1の溝31aに対して斜交するように設けたので、集電部30に生成した水の排出性が良くなる。第1の溝31a内の生成水は第1の溝31aに入ったガスでガス流れ方向に押出され、斜めの第2の溝31b内の生成水は第1の溝31aから第2の溝31bに入るガスで押し出されるとともに、凸部29の側面を流れるガス流れで引き出される。排水が良くなることにより、電極のガスとの接触が生成水で阻害されにくくなり、フラッディングが抑制され、とくに酸化ガス流露の下流域での発電性能が改善される。
In Example 3 of the present invention, as shown in FIG. 8, a
With regard to the operation and effect of the third embodiment of the present invention, the
本発明の実施例4においては、図9、図10に示すように、ガス流路27、28は屈曲部(折り返し部)27c、28cを有し、その部分の流路内に、凸部31が形成されている。屈曲部27c、28cにおける凸部31の形状は短ランドとされており、たとえばセパレータの縦、横の辺と平行に延びる縦、横の辺を有する正方形(平面視にて)とされている。
溝31は、ガス流路のガス流れと同じ方向に延びる第1の溝31aを含み(図示例では、第2の溝をもたない)、該第1の溝31aは、ガス流路27、28の屈曲部27c、28cにおいては該屈曲部27c、28cを流れるガス流れに沿った方向に傾けられている。本発明の実施例4の作用、効果については、第1の溝31aが、屈曲部27c、28cにおいては該屈曲部27c、28cを流れるガス流れに沿った方向に傾けられているので、第1の溝31aがガス流れのガイドとなって圧損を低減させ、その結果、屈曲部27c、28cを含みガス流路27、28の全長にわたって流路圧損が小さく、発電効率を向上させることができる。また、ガス流路27、28の屈曲部27c、28cのガス流れを良好に維持して、単位時間あたりの電極のガス接触量を大に維持できるので、発電効率を向上させることができる。
In Example 4 of the present invention, as shown in FIGS. 9 and 10, the
The
本発明の実施例5においては、図11、図12に示すように、凸部29が、ガス流路27、28の屈曲部に設けられた短ランドと、ガス流路27、28の直線部に設けられた長ランドとを有し、溝31が長ランドに設けた段差の低部分からなり、該段差の低部分からなる溝によって、長ランドの集電部30の面積が、短ランドの集電部30の面積とほぼ等しくなるように、溝31が長ランドに切られている。短ランドの凸部29には溝31は切られておらず、長ランドの凸部29にだけ溝31が切られており、しかも溝31はガス流れ方向と直交する方向に延びる第2の溝31bだけからなる。第2の溝31bの幅は他の実施例に比べて広く、集電部30とほぼ同じ幅をもつ。第2の溝31bは長ランドの2つの側面間にわたって延びる。
本発明の実施例5の作用、効果については、溝31によって、長ランドの各集電部30の面積が流路屈曲部の短ランドの集電部30の面積とほぼ等しくされているので、長ランドの各集電部の面圧と短ランドの集電部30の面圧とがほぼ均一になり、突出した面圧が無くなることによって電解質膜11へ与えるダメージを少なくすることができる。その結果、燃料電池10の耐久性を向上することができる。
In the fifth embodiment of the present invention, as shown in FIGS. 11 and 12, the
Regarding the operation and effect of the fifth embodiment of the present invention, the
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
27 燃料ガス流路
27a ガス入口
27b ガス出口
27c 屈曲部(折り返し部)
27d ストレート部(段部)
27e 仕切リブ
28 酸化ガス流路
28a ガス入口
28b ガス出口
28c 屈曲部(折り返し部)
28d ストレート部(段部)
28e 仕切リブ
29 凸部
30 集電部
31 溝
31a 第1の溝
31b 第2の溝
10 (Solid Polymer Electrolyte Type)
17 electrodes (cathode, air electrode)
18
25
27d Straight part (step part)
28d Straight part (step part)
Claims (6)
Priority Applications (1)
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JP2003298252A JP2005071734A (en) | 2003-08-22 | 2003-08-22 | Fuel cell |
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2003
- 2003-08-22 JP JP2003298252A patent/JP2005071734A/en active Pending
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