JP2007115525A - Separator for fuel cell and fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は燃料電池用セパレータおよび燃料電池に関する。 The present invention relates to a fuel cell separator and a fuel cell.
燃料電池は、環境負荷を低減できる発電装置として期待されている。中でも電解質に高分子電解質膜を使用した高分子電解質型燃料電池は、自動車等の車載用燃料電池、家庭用・業務用などの定置用燃料電池、パソコン用などの携帯用燃料電池として期待されている。 The fuel cell is expected as a power generation device that can reduce the environmental load. In particular, polymer electrolyte fuel cells that use polymer electrolyte membranes as electrolytes are expected to be used as in-vehicle fuel cells for automobiles, stationary fuel cells for home and business use, and portable fuel cells for personal computers. Yes.
図９は高分子電解質型燃料電池の単セル構造を模式的に説明する説明断面図である。高分子電解質膜１１を燃料極１２と酸化剤極１３で挟持し、接合して膜電極接合体１０が作製されている。すなわち、膜電極接合体１０は、高分子電解質膜１１と、高分子電解質膜１１の一方面に設けられた酸化剤極１３と、高分子電解質膜１１の他方面に設けられた燃料極１２を備えている。燃料極１２と酸化剤極１３は、いずれも燃料電池用電極である。燃料極１２は、燃料極用拡散層１２ｂの一方面上に燃料極用触媒層１２ａが設けられて構成されている。酸化剤極１３は、酸化剤極用拡散層１３ｂの一方面上に酸化剤極用触媒層１３ａが設けられて構成されている。膜電極接合体１０を燃料用セパレータ１４と酸化剤用セパレータ１５で挟持し、燃料電池の単セルが構成されている。燃料用セパレータ１４、酸化剤用セパレータ１５はそれぞれ燃料ガス流路溝１４ａ、酸化剤ガス流路溝１５ａを有する導電性部材である。また燃料用セパレータ１４、酸化剤用セパレータ１５はガスの透過を遮断するガス不透過性を有している。 FIG. 9 is an explanatory sectional view schematically illustrating a single cell structure of a polymer electrolyte fuel cell. The polymer electrolyte membrane 11 is sandwiched between the fuel electrode 12 and the oxidant electrode 13 and joined to produce the membrane electrode assembly 10. That is, the membrane electrode assembly 10 includes a polymer electrolyte membrane 11, an oxidant electrode 13 provided on one surface of the polymer electrolyte membrane 11, and a fuel electrode 12 provided on the other surface of the polymer electrolyte membrane 11. I have. Both the fuel electrode 12 and the oxidant electrode 13 are fuel cell electrodes. The fuel electrode 12 is configured by providing a fuel electrode catalyst layer 12a on one surface of a fuel electrode diffusion layer 12b. The oxidant electrode 13 is configured by providing the oxidant electrode catalyst layer 13a on one surface of the oxidant electrode diffusion layer 13b. The membrane electrode assembly 10 is sandwiched between a fuel separator 14 and an oxidant separator 15 to constitute a single cell of a fuel cell. The fuel separator 14 and the oxidant separator 15 are conductive members having a fuel gas channel groove 14a and an oxidant gas channel groove 15a, respectively. Further, the fuel separator 14 and the oxidant separator 15 have gas impermeability to block gas permeation.
燃料ガス流路溝１４ａは燃料極１２に燃料ガス（燃料極側の反応ガス）を供給するための流路であり、一般的には複数設けられ、複数の燃料ガス流路溝１４ａの間には凸部１４ｄが設けられている。凸部１４ｄは燃料極用拡散層１２ｂに当接している。燃料ガス流路溝１４ａには入口１４ｂから燃料ガスが供給され、出口１４ｃから排出される。酸化剤ガス流路溝１５ａは酸化剤極１３に酸化剤ガス（酸化剤極側の反応ガス）を供給するための流路であり、一般的には複数設けられ、複数の酸化剤ガス流路溝１５ａの間には凸部１５ｄが設けられている。凸部１５ｄは酸化剤極用触媒層１３ａに当接している。酸化剤ガス流路溝１５ａには入口１５ｂから酸化剤ガスが供給され、出口１５ｃから排出される。燃料ガスとして水素、水素含有ガスなどが使用される。酸化剤ガスとして空気などの酸素含有ガスなどが使用される。ここでは燃料ガスとして水素、酸化剤ガスとして空気を使用した例で説明する。 The fuel gas channel groove 14a is a channel for supplying fuel gas (reactive gas on the fuel electrode side) to the fuel electrode 12, and generally, a plurality of fuel gas channel grooves 14a are provided between the plurality of fuel gas channel grooves 14a. Is provided with a convex portion 14d. The convex portion 14d is in contact with the fuel electrode diffusion layer 12b. Fuel gas is supplied to the fuel gas passage groove 14a from the inlet 14b and discharged from the outlet 14c. The oxidant gas flow channel groove 15a is a flow channel for supplying an oxidant gas (reactive gas on the oxidant electrode side) to the oxidant electrode 13, and generally a plurality of oxidant gas flow channels 15a are provided. A convex portion 15d is provided between the grooves 15a. The convex portion 15d is in contact with the oxidant electrode catalyst layer 13a. Oxidant gas is supplied from the inlet 15b to the oxidant gas channel groove 15a and discharged from the outlet 15c. Hydrogen, hydrogen-containing gas or the like is used as the fuel gas. An oxygen-containing gas such as air is used as the oxidant gas. Here, an example in which hydrogen is used as the fuel gas and air is used as the oxidant gas will be described.
燃料極用拡散層１２ｂ、酸化剤極用拡散層１３ｂは、いずれも流体拡散性（ガス拡散性）を有している。燃料ガス流路溝１４ａに供給された水素は燃料極用拡散層１２ｂを通って、燃料極用触媒層１２ａに到達し、（１）式の電極反応が起こる。
燃料極１２で生成されたプロトンＨ＋は水分子を伴って、高分子電解質膜１１中を通って酸化剤極１３に向かって移動する。それと同時に、燃料極１２で生成された電子ｅ−は燃料極用触媒層１２ａ、集電体でもある燃料極用拡散層１２ｂを通り、図示しない外部回路を介して酸化剤極１３に移動する。 Proton H + generated at the fuel electrode 12 moves through the polymer electrolyte membrane 11 toward the oxidant electrode 13 together with water molecules. At the same time, the electrons e − generated in the fuel electrode 12 pass through the fuel electrode catalyst layer 12a and the fuel electrode diffusion layer 12b, which is also a current collector, and move to the oxidant electrode 13 through an external circuit (not shown).
一方、酸化剤極１３では、空気が酸化剤極用拡散層１３ｂを通って、酸化剤極用触媒層１３ａに到達し、空気中の酸素が外部回路を介して集電体でもある酸化剤極用拡散層１３ｂを通って酸化剤極用触媒層１３ａに移動してきた電子を貰って、（２）式の反応で還元され、燃料極１２から高分子電解質膜１１中を通して移動してきたプロトンＨ＋と結合して水となる。
高分子電解質膜１１は加湿（含水）することによりプロトン伝導性が大きくなる。高分子電解質膜１１を加湿するために、一般的に燃料ガスと一緒に水蒸気を燃料ガス流路溝１４ａに供給する。酸化剤ガス流路溝１５ａにも水蒸気を供給する場合もある。高分子電解質膜１１の加湿不足が生ずると、プロトン伝導性が損なわれ、発電性能が低下する問題がある。 The polymer electrolyte membrane 11 is increased in proton conductivity by being humidified (containing water). In order to humidify the polymer electrolyte membrane 11, water vapor is generally supplied to the fuel gas flow channel 14a together with the fuel gas. In some cases, water vapor is also supplied to the oxidant gas channel groove 15a. If the polymer electrolyte membrane 11 is insufficiently humidified, there is a problem that proton conductivity is impaired and power generation performance is lowered.
一方、燃料極用触媒層１２ａ、燃料極用拡散層１２ｂ、燃料ガス流路溝１４ａや酸化剤極用触媒層１３ａ、酸化剤極用拡散層１３ｂ、酸化剤ガス流路溝１５ａで水蒸気が凝縮し水となって燃料ガスや酸化剤ガスの通路が詰まる、いわゆるフラッディングが生ずると発電性能が低下する問題がある。 On the other hand, water vapor is condensed in the fuel electrode catalyst layer 12a, the fuel electrode diffusion layer 12b, the fuel gas channel groove 14a, the oxidant electrode catalyst layer 13a, the oxidant electrode diffusion layer 13b, and the oxidant gas channel groove 15a. When so-called flooding occurs in which fuel gas and oxidant gas passages become clogged with water, there is a problem in that power generation performance deteriorates.
したがって、固体高分子電解質型燃料電池を効率的に発電するためには水蒸気の制御が極めて重要である。そこで、燃料電池の各要素に様々な工夫がなされている。 Therefore, control of water vapor is extremely important in order to efficiently generate power for a solid polymer electrolyte fuel cell. Therefore, various devices have been made for each element of the fuel cell.
特許文献１には、ガス流路面にフッ素含有カーボン層を形成したセパレータが開示されている。ガス流路に水蒸気の結露によって水滴が発生しても、撥水性を有するフッ素含有カーボン層によって、水滴がすみやかに流路から排出されることによってフラッディングを防止できるとされている。
本発明は上記課題を解決したもので、セパレータの凸部に接触する電極部分のフラッディングを低減できる燃料電池用セパレータおよび耐久性を向上できる燃料電池を提供する。 The present invention solves the above-described problems, and provides a fuel cell separator that can reduce flooding of an electrode portion that contacts a convex portion of the separator, and a fuel cell that can improve durability.
上記技術的課題を解決するために、請求項１の発明では、電極に供給する反応ガスを供給する複数のガス流路溝と、前記複数のガス流路溝間に設けられ前記電極に当接する凸部と、前記凸部の前記電極との当接面に設けられ前記凸部の高さより小さい深さを有する浅溝が設けられていることを特徴とする燃料電池用セパレータとしている。 In order to solve the above technical problem, in the first aspect of the present invention, a plurality of gas flow channel grooves for supplying a reaction gas to be supplied to the electrodes, and a plurality of gas flow channel grooves provided between the plurality of gas flow channel grooves are brought into contact with the electrodes. A separator for a fuel cell is provided, wherein a shallow groove having a depth smaller than the height of the convex portion is provided on a contact surface between the convex portion and the electrode of the convex portion.
請求項２の発明では、前記凸部には前記浅溝が形成された浅溝形成部と前記浅溝が形成されていない浅溝非形成部が設けられ、前記浅溝非形成部が前記反応ガスの上流側に設けられ、前記浅溝形成部が前記反応ガスの下流側に設けられていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池用セパレータとしている。 In the invention of claim 2, the convex portion is provided with a shallow groove forming portion in which the shallow groove is formed and a shallow groove non-forming portion in which the shallow groove is not formed, and the shallow groove non-forming portion is the reaction 2. The fuel cell separator according to claim 1, wherein the separator is provided on the upstream side of the gas, and the shallow groove forming portion is provided on the downstream side of the reaction gas.
請求項３の発明では、前記浅溝が、前記反応ガスの流れ方向と直交する方向に対して傾斜していることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池用セパレータとしている。 According to a third aspect of the invention, the shallow groove is inclined with respect to a direction orthogonal to the flow direction of the reaction gas. The fuel cell separator according to the first or second aspect is provided. .
請求項４の発明では、前記浅溝が、互いに隣接する前記ガス流路溝を連通するように設けられていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池用セパレータとしている。 4. The fuel cell separator according to claim 1, wherein the shallow groove is provided so as to communicate with the gas channel grooves adjacent to each other. Yes.
請求項５の発明では、高分子電解質膜と、前記高分子電解質膜の一方面に当接された燃料極と、前記高分子電解質膜の他方面に当接された酸化剤極と、前記燃料極に供給する燃料ガスを供給する複数のガス流路溝と前記複数のガス流路溝間に設けられ前記燃料極に当接する凸部を有する燃料用セパレータと、前記酸化剤極に供給する酸化剤ガスを供給する複数のガス流路溝と前記複数のガス流路溝間に設けられ前記酸化剤極に当接する凸部を有する酸化剤用セパレータとが設けられ、前記燃料用セパレータ、前記酸化剤用セパレータの少なくとも一方のセパレータの前記凸部に、前記凸部の高さより小さい深さを有する浅溝が前記凸部の前記電極との当接面に設けられていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池としている。 In the invention of claim 5, a polymer electrolyte membrane, a fuel electrode in contact with one surface of the polymer electrolyte membrane, an oxidant electrode in contact with the other surface of the polymer electrolyte membrane, and the fuel A fuel separator having a plurality of gas flow channel grooves for supplying fuel gas to be supplied to the electrode, a protrusion provided between the gas flow channel grooves and contacting the fuel electrode, and an oxidant supplied to the oxidant electrode A plurality of gas flow channel grooves for supplying an oxidant gas, and an oxidant separator having a convex portion provided between the plurality of gas flow channel grooves and in contact with the oxidant electrode. A shallow groove having a depth smaller than a height of the convex portion is provided on a surface of the convex portion in contact with the electrode in the convex portion of at least one separator of the agent separator. The fuel cell according to Item 1.
請求項１の発明によれば、凸部の電極との当接面に浅溝が設けられたセパレータであるので、凸部に接触する電極部分の水を排出でき、この部分におけるフラッディングを低減できるという効果がある。 According to the first aspect of the present invention, since the separator is provided with a shallow groove on the contact surface with the electrode of the convex portion, water in the electrode portion that contacts the convex portion can be discharged, and flooding in this portion can be reduced. There is an effect.
請求項２の発明によれば、浅溝形成部が反応ガスの下流側のみに設けられているので、特に問題となる下流側におけるフラッディングを低減できるという効果がある。 According to the second aspect of the present invention, since the shallow groove forming portion is provided only on the downstream side of the reaction gas, there is an effect that flooding on the downstream side, which is a problem in particular, can be reduced.
請求項３の発明によれば、浅溝が反応ガスの流れ方向と直交する方向に対して傾斜しているので、反応ガスの流れにより凸部に接触する電極部分の水を排出する効果を大きくすることができる。ここで浅溝の方向は浅溝中を流体が流れ得る方向、浅溝の幅方向と直交する方向である。 According to the invention of claim 3, since the shallow groove is inclined with respect to the direction orthogonal to the flow direction of the reaction gas, the effect of discharging the water of the electrode portion that contacts the convex portion by the flow of the reaction gas is greatly increased. can do. Here, the direction of the shallow groove is a direction in which fluid can flow in the shallow groove and a direction orthogonal to the width direction of the shallow groove.
請求項４の発明によれば、浅溝が、互いに隣接するガス流路溝を連通するので、反応ガスの流れにより凸部に接触する電極部分の水を排出する効果を大きくすることができる。 According to the invention of claim 4, since the shallow groove communicates with the gas channel grooves adjacent to each other, it is possible to increase the effect of discharging the water of the electrode portion that contacts the convex portion by the flow of the reaction gas.
請求項５の発明によれば、凸部の電極との当接面に浅溝が設けられたセパレータであるので、凸部に接触する電極部分の水を排出でき、この部分におけるフラッディングを低減できるため、燃料電池の耐久性を向上できる。 According to the invention of claim 5, since the separator is provided with a shallow groove on the contact surface of the convex portion with the electrode, water in the electrode portion in contact with the convex portion can be discharged, and flooding in this portion can be reduced. Therefore, the durability of the fuel cell can be improved.
以下、本発明の実施形態について、図面に基づいて説明する。以下の実施形態では、セパレータの構造が異なる以外は図９の構造と基本的に同じであるので、同じ部位では同じ符号を使用して説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. The following embodiment is basically the same as the structure of FIG. 9 except that the separator has a different structure. Therefore, the same portions are described using the same reference numerals.
図１は第１実施形態のセパレータ２１の酸化剤極側から見た正面図である。図２は第１実施形態のセパレータ２１の燃料極側から見た正面図である。図２は図１の裏面にあたる。すなわちセパレータ２１の一方面には酸化剤ガス流路溝３１が設けられ、他方面には燃料ガス流路溝４１が設けられ、セパレータは酸化剤用セパレータと燃料用セパレータを兼ねている。 FIG. 1 is a front view of the separator 21 of the first embodiment viewed from the oxidizer electrode side. FIG. 2 is a front view of the separator 21 according to the first embodiment viewed from the fuel electrode side. FIG. 2 corresponds to the back surface of FIG. That is, an oxidant gas flow channel 31 is provided on one surface of the separator 21 and a fuel gas flow channel 41 is provided on the other surface. The separator serves as both an oxidant separator and a fuel separator.
セパレータ２１には燃料ガス供給孔２２、燃料ガス排出孔２３、酸化剤ガス供給孔２４、酸化剤ガス排出孔２５、冷却媒体供給孔２６、冷却媒体排出孔２７が設けられている。これらの孔を囲むように溝部２８が設けられている。溝部２８は、燃料電池に組み立てられるときガスケットが配置され、燃料ガス、酸化剤ガス、冷却媒体をシールするためのものである。また、燃料ガス供給孔２２、燃料ガス排出孔２３、酸化剤ガス供給孔２４、酸化剤ガス排出孔２５、冷却媒体供給孔２６、冷却媒体排出孔２７はセパレータ２１の厚み方向に貫通する貫通孔であり、燃料電池に組み立てられるとき、それぞれ燃料ガス供給マニホールド、燃料ガス排出マニホールド、酸化剤ガス供給マニホールド、酸化剤ガス排出マニホールド、冷却媒体供給マニホールドおよび冷却媒体排出マニホールドとなる。 The separator 21 is provided with a fuel gas supply hole 22, a fuel gas discharge hole 23, an oxidant gas supply hole 24, an oxidant gas discharge hole 25, a cooling medium supply hole 26, and a cooling medium discharge hole 27. Grooves 28 are provided so as to surround these holes. The groove portion 28 is provided with a gasket when assembled in the fuel cell, and serves to seal the fuel gas, the oxidant gas, and the cooling medium. The fuel gas supply hole 22, the fuel gas discharge hole 23, the oxidant gas supply hole 24, the oxidant gas discharge hole 25, the cooling medium supply hole 26, and the cooling medium discharge hole 27 are through-holes that penetrate in the thickness direction of the separator 21. When assembled in a fuel cell, a fuel gas supply manifold, a fuel gas discharge manifold, an oxidant gas supply manifold, an oxidant gas discharge manifold, a cooling medium supply manifold, and a cooling medium discharge manifold, respectively.
セパレータ２１には、図１の上方から下方に通流する複数の酸化剤ガス流路溝３１が設けられている。隣接する酸化剤ガス流路溝３１間に設けられ酸化剤極に当接する凸部３２が設けられている。つまり凸部３２の間が酸化剤ガス流路溝３１となっている。酸化剤ガス流路溝３１は酸化剤ガス入口部３１ａを介して酸化剤ガス供給孔２４に連通している。また酸化剤ガス流路溝３１は酸化剤ガス出口部３１ｂを介して酸化剤ガス排出孔２５に連通している。酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給孔２４から酸化剤ガス入口部３１ａを介して酸化剤ガス流路溝３１に供給され、酸化剤ガス流路溝３１を流れて酸化剤ガス出口部３１ｂを介して酸化剤ガス排出孔２５に排出される。なお、酸化剤ガス入口部３１ａ、酸化剤ガス出口部３１ｂは、多数の溝が並んでいる構造で、その上には蓋が接合され、ガスが漏れないようになっている。 The separator 21 is provided with a plurality of oxidant gas passage grooves 31 that flow from the upper side to the lower side in FIG. Protrusions 32 that are provided between adjacent oxidant gas flow channel grooves 31 and abut against the oxidant electrode are provided. That is, the oxidant gas flow channel 31 is formed between the convex portions 32. The oxidant gas flow channel 31 communicates with the oxidant gas supply hole 24 via the oxidant gas inlet 31a. The oxidant gas flow channel 31 communicates with the oxidant gas discharge hole 25 through the oxidant gas outlet 31b. The oxidant gas is supplied from the oxidant gas supply hole 24 via the oxidant gas inlet 31a to the oxidant gas flow channel 31 and flows through the oxidant gas flow channel 31 through the oxidant gas outlet 31b. Then, it is discharged to the oxidant gas discharge hole 25. The oxidant gas inlet part 31a and the oxidant gas outlet part 31b have a structure in which a large number of grooves are arranged, and a lid is joined thereon so that gas does not leak.
図３は第１実施形態のセパレータの凸部構造を説明する説明正面図であり、図４は第１実施形態のセパレータの凸部構造を説明する説明斜視図である。図４は、セパレータの一部を酸化剤ガス下流側から見たものである。 FIG. 3 is an explanatory front view illustrating the convex structure of the separator according to the first embodiment, and FIG. 4 is an explanatory perspective view illustrating the convex structure of the separator according to the first embodiment. FIG. 4 shows a part of the separator as viewed from the downstream side of the oxidant gas.
凸部３２の酸化剤ガス下流側の酸化剤極１３との当接面３４には浅溝３３が設けられている。浅溝３３は、酸化剤ガスの流れ方向（矢印Ｘの方向）と直交する方向に対して角度θだけ傾斜して設けられている。実施形態では角度θは４５度である。浅溝３３の幅は０．５ｍｍである。浅溝３３はピッチ０．８ｍｍの間隔で、複数設けられている。ここで、ピッチ間隔は酸化剤ガスの流れ方向の距離で表している。浅溝の深さは０．８ｍｍであり、凸部３２の高さ２．０ｍｍより小さく、凸部３２の高さの４０％である。 A shallow groove 33 is provided on the contact surface 34 of the convex portion 32 with the oxidant electrode 13 on the downstream side of the oxidant gas. The shallow groove 33 is provided so as to be inclined by an angle θ with respect to a direction orthogonal to the flow direction of the oxidant gas (the direction of the arrow X). In the embodiment, the angle θ is 45 degrees. The width of the shallow groove 33 is 0.5 mm. A plurality of shallow grooves 33 are provided at intervals of a pitch of 0.8 mm. Here, the pitch interval is expressed as a distance in the flow direction of the oxidizing gas. The depth of the shallow groove is 0.8 mm, which is smaller than the height of the convex portion 32 of 2.0 mm and 40% of the height of the convex portion 32.
第１実施形態では浅溝３３は凸部３２の酸化剤ガスの下流側のみに設けられている。凸部３２の浅溝３３が設けられている部分が浅溝形成部３２ａであり、浅溝３３が設けられていない部分が浅溝非形成部３２ｂである。酸化剤ガスの流れ方向に沿う浅溝形成部３２ａの長さｂは、酸化剤ガスの流れ方向に沿う凸部３２ａの長さａの５０％である。 In the first embodiment, the shallow groove 33 is provided only on the downstream side of the oxidant gas of the convex portion 32. The portion of the convex portion 32 where the shallow groove 33 is provided is the shallow groove forming portion 32a, and the portion where the shallow groove 33 is not provided is the shallow groove non-forming portion 32b. The length b of the shallow groove forming portion 32a along the flow direction of the oxidant gas is 50% of the length a of the convex portion 32a along the flow direction of the oxidant gas.
浅溝３３の設け方については特に限定されない。浅溝３３の設け方は、セパレータなどの形状やガス流路溝の形状、燃料電池の運転方法などにより適宜選択できる。しかし、以下記述する範囲から選択することは好ましい。 The method for providing the shallow groove 33 is not particularly limited. The method of providing the shallow groove 33 can be appropriately selected depending on the shape of the separator, the shape of the gas flow path groove, the operation method of the fuel cell, and the like. However, it is preferable to select from the range described below.
角度θとして０〜７５度の範囲から選択することが好ましい。角度θは、より好ましくは、３０〜６０度がよい。角度θが大きいほど、酸化剤ガスの流れ方向に沿うようになるため、水を排出する効果が大きい。角度θが大きすぎると、浅溝３３の長さが大きくなり排出効果が小さくなる。 The angle θ is preferably selected from a range of 0 to 75 degrees. The angle θ is more preferably 30 to 60 degrees. The greater the angle θ, the greater the effect of discharging water because it follows the flow direction of the oxidant gas. When the angle θ is too large, the length of the shallow groove 33 increases and the discharge effect decreases.
浅溝３３の幅は、０．１〜５ｍｍが好ましく、より好ましくは０．２〜１．５ｍｍ、０．３〜１ｍｍがよい。浅溝３３の幅が小さすぎると水の排出効果が小さくなり、浅溝３３の幅が大きすぎると酸化剤極１３と接触できる凸部面積が小さくなるため電池内の抵抗が大きくなる。 The width of the shallow groove 33 is preferably 0.1 to 5 mm, more preferably 0.2 to 1.5 mm, and 0.3 to 1 mm. If the width of the shallow groove 33 is too small, the water draining effect is reduced. If the width of the shallow groove 33 is too large, the convex area that can come into contact with the oxidant electrode 13 is reduced, and the resistance in the battery is increased.
浅溝３３のピッチは、０．１〜２．０ｍｍが好ましく、より好ましくは０．２〜１．５ｍｍ、０．５〜１．０ｍｍがよい。浅溝３３のピッチが大きすぎると水の排出効果が小さくなり、浅溝３３のピッチが小さすぎると酸化剤極１３と接触できる凸部面積が小さくなるため電池内の抵抗が大きくなる。 The pitch of the shallow grooves 33 is preferably 0.1 to 2.0 mm, more preferably 0.2 to 1.5 mm, and 0.5 to 1.0 mm. If the pitch of the shallow grooves 33 is too large, the water draining effect is reduced, and if the pitch of the shallow grooves 33 is too small, the convex area that can come into contact with the oxidant electrode 13 is reduced, so that the resistance in the battery is increased.
浅溝３３の深さは、凸部３２の高さの０．５〜５０％が好ましく、より好ましくは０．７〜４０％、１．０〜３５％がよい。浅溝３３の深さは、寸法としては、０．０１〜１．０ｍｍ％が好ましく、より好ましくは０．０２〜１．０ｍｍ、０．３〜１．０ｍｍがよい。浅溝３３の深さが小さすぎると排出抵抗が大きくなるため水の排出効果が小さくなる。一方、浅溝３３の深さが大きすぎても溝の底に水滴ができると排出しにくくなるため水の排出効果が小さくなる
凸部３２の酸化剤極１３との当接面３４のうち浅溝３３が設けられている浅溝形成部３２ａは、第１実施形態では酸化剤ガスの下流側のみに設けられているが、特に限定されない。浅溝形成部３２ａは、凸部３２の酸化剤極１３との当接面３４の全面に設けられていてもよいし、酸化剤ガスの上流側のみに設けられていてもよいし、酸化剤ガスの流れ方向の中間部分に設けられていてもよい。浅溝形成部３２ａの長さｂの、酸化剤ガスの流れ方向に沿う凸部３２ａの長さａに対する比率は１０〜１００％が好ましく、より好ましくは２０〜８０％、３０〜７０％がよい。浅溝形成部３２ａの長さｂが小さすぎると水の排出効果が小さくなる。浅溝形成部３２ａの長さｂは、必要最小限にすることがコストなどから好ましい。
The depth of the shallow groove 33 is preferably 0.5 to 50% of the height of the convex portion 32, more preferably 0.7 to 40% and 1.0 to 35%. The depth of the shallow groove 33 is preferably 0.01 to 1.0 mm% as a dimension, more preferably 0.02 to 1.0 mm, and 0.3 to 1.0 mm. If the depth of the shallow groove 33 is too small, the draining resistance increases, so the water draining effect is small. On the other hand, even if the depth of the shallow groove 33 is too large, if water droplets are formed at the bottom of the groove, it becomes difficult to discharge the water, so that the water discharge effect is reduced. The shallowness of the contact surface 34 of the protrusion 32 with the oxidant electrode 13 is shallow. The shallow groove forming portion 32a provided with the groove 33 is provided only on the downstream side of the oxidizing gas in the first embodiment, but is not particularly limited. The shallow groove forming portion 32a may be provided on the entire contact surface 34 of the convex portion 32 with the oxidant electrode 13, or may be provided only on the upstream side of the oxidant gas. You may provide in the intermediate part of the flow direction of gas. The ratio of the length b of the shallow groove forming portion 32a to the length a of the convex portion 32a along the flow direction of the oxidant gas is preferably 10 to 100%, more preferably 20 to 80% and 30 to 70%. . If the length b of the shallow groove forming portion 32a is too small, the water discharging effect is reduced. It is preferable from the viewpoint of cost and the like that the length b of the shallow groove forming portion 32a is minimized.
セパレータ２１に供給された酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路溝３１の中を矢印Ｘの方向に沿って流れる。上述したように、酸化剤極では（２）式の反応で水が形成されるため、下流側ほど酸化剤ガス中の水蒸気の含有率が大きくなる。このため酸化剤ガスの下流ほど水蒸気が凝縮しやすくなる。セパレータ２１の凸部３２と当接している酸化剤極部分でも水蒸気が凝縮しやすくなる。しかし、浅溝３３が設けられているため、水蒸気が凝縮する前に酸化剤ガス流路溝３１にすみやかに排出されるし、仮に凝縮しても浅溝３３により酸化剤ガス流路溝３１にすみやかに排出される。この結果、フラッディングを防止でき、燃料電池の耐久性を向上できる。 The oxidant gas supplied to the separator 21 flows along the direction of arrow X in the oxidant gas flow channel 31. As described above, since water is formed by the reaction of formula (2) at the oxidant electrode, the content of water vapor in the oxidant gas increases toward the downstream side. For this reason, water vapor tends to condense toward the downstream of the oxidant gas. Water vapor is likely to condense even at the oxidant electrode portion in contact with the convex portion 32 of the separator 21. However, since the shallow groove 33 is provided, before the water vapor is condensed, it is quickly discharged into the oxidant gas channel groove 31, and even if condensed, the shallow groove 33 causes the oxidant gas channel groove 31 to be discharged. It is discharged immediately. As a result, flooding can be prevented and the durability of the fuel cell can be improved.
燃料電池におけるセパレータ２１の酸化剤極１３との当接面３４の方向は特に限定されず、水平方向でも、鉛直方向でも、水平方向から傾斜している方向でもよい。しかし、酸化剤ガスの流れ方向が鉛直下方を向いていると、酸化剤ガス流路溝３１の中で凝縮して水が生成されても外部に排出されやすいので好ましい。特に、セパレータ２１の酸化剤極１３との当接面３４の方向が鉛直方向であり、酸化剤ガスの流れ方向が鉛直下方であると、水の排出性に最も効果的である。 The direction of the contact surface 34 of the separator 21 with the oxidant electrode 13 in the fuel cell is not particularly limited, and may be a horizontal direction, a vertical direction, or a direction inclined from the horizontal direction. However, it is preferable that the flow direction of the oxidant gas is directed vertically downward because water is easily discharged even if it is condensed in the oxidant gas flow channel 31 and water is generated. In particular, when the direction of the contact surface 34 of the separator 21 with the oxidant electrode 13 is the vertical direction and the flow direction of the oxidant gas is vertically downward, it is most effective for water discharge.
また酸化剤ガスが浅溝３３から凸部３２に当接する酸化剤極にも流れ発電効率を向上できる副次的な効果も生じる。 Further, a secondary effect that the oxidant gas flows from the shallow groove 33 to the oxidant electrode contacting the convex portion 32 and improves the power generation efficiency is also produced.
次に、セパレータの燃料極側から見た構造を図２に基づいて説明する。燃料ガス供給孔２２、燃料ガス排出孔２３、酸化剤ガス供給孔２４、酸化剤ガス排出孔２５、冷却媒体供給孔２６、冷却媒体排出孔２７を囲むように溝部２９が設けられている。溝部２９は、溝部２８と同様、燃料電池に組み立てられるときガスケットが配置され、燃料ガス、酸化剤ガス、冷却媒体をシールするためのものである。 Next, the structure seen from the fuel electrode side of the separator will be described with reference to FIG. A groove 29 is provided so as to surround the fuel gas supply hole 22, the fuel gas discharge hole 23, the oxidant gas supply hole 24, the oxidant gas discharge hole 25, the cooling medium supply hole 26, and the cooling medium discharge hole 27. Similar to the groove portion 28, the groove portion 29 is provided with a gasket when being assembled to the fuel cell, and serves to seal the fuel gas, the oxidant gas, and the cooling medium.
セパレータ２１には、図２の左上方から右下方に斜めに通流する複数の燃料ガス流路溝４１が設けられている。隣接する燃料ガス流路溝４１間に設けられ燃料極１２に当接する凸部４２が設けられている。つまり凸部４２の間が燃料ガス流路溝４１となっている。燃料ガス流路溝４１は燃料ガス入口部４１ａを介して燃料ガス供給孔２２に連通している。また燃料ガス流路溝４１は燃料ガス出口部４１ｂを介して燃料ガス排出孔２３に連通している。燃料ガスは、燃料ガス供給孔２２から燃料ガス入口部４１ａを介して燃料ガス流路溝４１に供給され、燃料ガス流路溝４１を流れて燃料ガス出口部４１ｂを介して燃料ガス排出孔２３に排出される。なお、燃料ガス入口部４１ａ、燃料ガス出口部４１ｂは、多数の溝が並んでいる構造で、その上には蓋が接合され、ガスが漏れないようになっている。第１実施形態では燃料極１２に当接する凸部４２には浅溝は設けられていない。 The separator 21 is provided with a plurality of fuel gas passage grooves 41 that obliquely flow from the upper left to the lower right in FIG. A convex portion 42 provided between the adjacent fuel gas flow channel grooves 41 and contacting the fuel electrode 12 is provided. That is, the fuel gas passage groove 41 is formed between the convex portions 42. The fuel gas passage groove 41 communicates with the fuel gas supply hole 22 through the fuel gas inlet 41a. The fuel gas channel groove 41 communicates with the fuel gas discharge hole 23 via the fuel gas outlet 41b. The fuel gas is supplied from the fuel gas supply hole 22 to the fuel gas passage groove 41 through the fuel gas inlet 41a, flows through the fuel gas passage groove 41, and the fuel gas discharge hole 23 through the fuel gas outlet 41b. To be discharged. The fuel gas inlet portion 41a and the fuel gas outlet portion 41b have a structure in which a large number of grooves are arranged, and a lid is joined thereon so that gas does not leak. In the first embodiment, the shallow groove is not provided in the convex portion 42 that contacts the fuel electrode 12.
図５は第２実施形態のセパレータの凸部構造を説明する説明正面図である。セパレータ５０は第１実施形態と同様の酸化剤ガス流路溝５１および凸部５２を備えている。凸部５２の酸化剤極１３との当接面５４に設けられた浅溝５３も第１実施形態と同様の構造を備えているが、当接面５４全体に設けられている。すなわち、凸部５２全体が浅溝形成部となっている。第２実施形態でも第１実施形態と同様の作用・効果を奏する。第２実施形態の場合、凸部５２の当接面５４全面においてフラッディングを低減できる効果を有する。 FIG. 5 is an explanatory front view illustrating the convex structure of the separator according to the second embodiment. The separator 50 includes an oxidant gas flow channel groove 51 and a convex portion 52 similar to those in the first embodiment. The shallow groove 53 provided on the contact surface 54 of the convex portion 52 with the oxidant electrode 13 has the same structure as that of the first embodiment, but is provided on the entire contact surface 54. That is, the entire convex portion 52 is a shallow groove forming portion. The second embodiment also provides the same operations and effects as the first embodiment. In the case of the second embodiment, flooding can be reduced over the entire contact surface 54 of the protrusion 52.
図６は第３実施形態のセパレータの凸部構造を説明する説明正面図である。セパレータ６０は第２実施形態と同様の酸化剤ガス流路溝６１および凸部６２を備えている。第２実施形態と同様、凸部６２全体が浅溝形成部となっており、酸化剤極１３との当接面６４全体にわたって浅溝６３が設けられている。しかし、第３実施形態の浅溝６３の方向は酸化剤ガスの流れ方向と直交する方向である。すなわち浅溝６３の方向は凸部６２の長手方向と直交する方向で角度θは０度である。第３実施形態でも第２実施形態と同様の作用・効果を奏する。第３実施形態の場合、浅溝６３を凸部６２の長手方向と直交する方向に設けられているので、製造が容易である効果を有する。 FIG. 6 is an explanatory front view illustrating the convex structure of the separator according to the third embodiment. The separator 60 includes an oxidizing gas channel groove 61 and a convex portion 62 similar to those in the second embodiment. Similar to the second embodiment, the entire convex portion 62 is a shallow groove forming portion, and the shallow groove 63 is provided over the entire contact surface 64 with the oxidant electrode 13. However, the direction of the shallow groove 63 of the third embodiment is a direction orthogonal to the flow direction of the oxidant gas. That is, the direction of the shallow groove 63 is a direction orthogonal to the longitudinal direction of the convex portion 62, and the angle θ is 0 degree. The third embodiment also has the same operations and effects as the second embodiment. In the case of the third embodiment, since the shallow groove 63 is provided in a direction orthogonal to the longitudinal direction of the convex portion 62, there is an effect that manufacture is easy.
図７は第４実施形態のセパレータの凸部構造を説明する説明正面図である。セパレータ７０は第１実施形態と同様の酸化剤ガス流路溝７１および凸部７２を備えている。凸部７２の酸化剤極１３との当接面７４に設けられた浅溝７３も第１実施形態と同様の構造を備えているが、酸化剤ガスの上流側にのみ設けられている。すなわち、凸部３２の酸化剤ガス上流側が浅溝形成部７２ａで、凸部３２の酸化剤ガス下流側が浅溝非形成部７２ｂである。酸化剤ガスの流れ方向に沿う浅溝形成部７２ａの長さｃは、酸化剤ガスの流れ方向に沿う凸部３２ａの長さａの５０％となっている。 FIG. 7 is an explanatory front view illustrating the convex structure of the separator according to the fourth embodiment. The separator 70 includes an oxidant gas flow channel groove 71 and a convex portion 72 similar to those in the first embodiment. The shallow groove 73 provided on the contact surface 74 of the convex portion 72 with the oxidant electrode 13 also has the same structure as that of the first embodiment, but is provided only on the upstream side of the oxidant gas. That is, the oxidant gas upstream side of the convex portion 32 is the shallow groove forming portion 72a, and the oxidant gas downstream side of the convex portion 32 is the shallow groove non-forming portion 72b. The length c of the shallow groove forming portion 72a along the flow direction of the oxidant gas is 50% of the length a of the convex portion 32a along the flow direction of the oxidant gas.
図８は第５実施形態のセパレータをの酸化剤極側から見た正面図である。セパレータ８０には燃料ガス供給孔８６、燃料ガス排出孔８７、酸化剤ガス供給孔８４、酸化剤ガス排出孔８５、冷却媒体供給孔８８、冷却媒体排出孔８９が設けられている。これらはセパレータ８０の厚み方向に貫通する貫通孔であり、燃料電池に組み立てられるとき、それぞれ燃料ガス供給マニホールド、燃料ガス排出マニホールド、酸化剤ガス供給マニホールド、酸化剤ガス排出マニホールド、冷却媒体供給マニホールドおよび冷却媒体排出マニホールドとなる。 FIG. 8 is a front view of the separator according to the fifth embodiment viewed from the oxidizer electrode side. The separator 80 is provided with a fuel gas supply hole 86, a fuel gas discharge hole 87, an oxidant gas supply hole 84, an oxidant gas discharge hole 85, a cooling medium supply hole 88, and a cooling medium discharge hole 89. These are through holes penetrating in the thickness direction of the separator 80, and when assembled in the fuel cell, respectively, a fuel gas supply manifold, a fuel gas discharge manifold, an oxidant gas supply manifold, an oxidant gas discharge manifold, a cooling medium supply manifold, and It becomes a cooling medium discharge manifold.
セパレータ８０には酸化剤ガス供給孔８４から供給され通流する複数の酸化剤ガス流路溝８１が設けられている。本実施形態の酸化剤ガス流路溝８１の構造は、図８で左右に蛇行する、いわゆるサーペンタイン構造である。隣接する酸化剤ガス流路溝８１間に設けられ酸化剤極に当接する凸部８２が設けられている。酸化剤ガス流路溝８１を通流した酸化剤ガスは酸化剤ガス排出孔８５に排出される。凸部８２の酸化剤ガス下流側の酸化剤極１３との当接面８２ａには浅溝８３が設けられている。浅溝８３は、酸化剤ガスの流れ方向（矢印Ｘの方向）と直交する方向に対して傾斜して設けられている。浅溝の形状は第１実施形態とほぼ同じである。 The separator 80 is provided with a plurality of oxidant gas flow channel grooves 81 that are supplied from the oxidant gas supply hole 84 and flow therethrough. The structure of the oxidant gas channel groove 81 of this embodiment is a so-called serpentine structure that meanders left and right in FIG. Protrusions 82 provided between adjacent oxidant gas flow channel grooves 81 and abutting against the oxidant electrode are provided. The oxidant gas flowing through the oxidant gas flow channel groove 81 is discharged to the oxidant gas discharge hole 85. A shallow groove 83 is provided on the contact surface 82a of the convex portion 82 with the oxidant electrode 13 on the downstream side of the oxidant gas. The shallow groove 83 is provided to be inclined with respect to a direction orthogonal to the flow direction of the oxidant gas (the direction of the arrow X). The shape of the shallow groove is almost the same as in the first embodiment.
第５実施形態でも第１実施形態と同様の作用・効果を奏する。このように本発明は第１〜４実施形態のような直線状の凸部（直線状のガス流路溝）でないセパレータにも適用できる。 The fifth embodiment also has the same operations and effects as the first embodiment. As described above, the present invention can also be applied to separators that are not linear protrusions (linear gas flow channel grooves) as in the first to fourth embodiments.
なお、以上の実施形態では酸化剤ガス用のセパレータについて示してきたが、燃料ガス用のセパレータに適用してもよい。特に燃料ガスは上流側でのガス中の水蒸気含有率が大きいので、上記第４実施形態のような上流側に浅溝を形成した構造が有効である。 In the above embodiment, the separator for the oxidant gas has been described. However, the separator may be applied to the fuel gas separator. In particular, since the fuel gas has a high water vapor content in the gas on the upstream side, a structure in which a shallow groove is formed on the upstream side as in the fourth embodiment is effective.
いずれの実施形態でも浅溝は、互いに隣接するガス流路溝を連通するように設けられているが、多少効果は小さくなるが、連通しない浅溝としても同様の作用・効果を奏する。反応ガスの流れ方向と直交する方向に対しる浅溝の角度θはすべての浅溝で一定にする必要はないが、一定であると製造が容易となり、低コスト化できる。また第１〜４実施形態では、浅溝の傾斜方向は図面上で右下がりであるが、左下がりでもよい。 In any of the embodiments, the shallow groove is provided so as to communicate the gas flow channel grooves adjacent to each other, but the effect is somewhat reduced, but the same operation and effect can be achieved as a shallow groove that does not communicate. The angle θ of the shallow groove with respect to the direction orthogonal to the flow direction of the reaction gas does not need to be constant in all the shallow grooves, but if it is constant, the manufacturing becomes easy and the cost can be reduced. Further, in the first to fourth embodiments, the inclination direction of the shallow groove is lower right in the drawing, but may be lower left.
１１…高分子電解質膜
１２…燃料極（電極）
１３…酸化剤極（電極）
１４…燃料用セパレータ（燃料電池用セパレータ）
１５…酸化剤用セパレータ（燃料電池用セパレータ）
２１、５０、６０、７０、８０…セパレータ（燃料電池用セパレータ）
３１…酸化剤ガス流路溝（ガス流路溝）
３２、４２、５２、６２、７２、８２…凸部
３２ａ、７２ａ…浅溝形成部
３２ｂ、７２ｂ…浅溝非形成部
３３、４３、５３、６３、７３、８３…浅溝
３４、４４、５４、６４、７４、８４…当接面
４１…燃料ガス流路溝（ガス流路溝）
11 ... Polymer electrolyte membrane 12 ... Fuel electrode (electrode)
13 ... Oxidant electrode (electrode)
14 ... Fuel separator (Separator for fuel cell)
15 ... Oxidant separator (fuel cell separator)
21, 50, 60, 70, 80 ... separator (separator for fuel cell)
31 ... Oxidant gas channel groove (gas channel groove)
32, 42, 52, 62, 72, 82 ... convex portions 32a, 72a ... shallow groove forming portions 32b, 72b ... shallow groove non-forming portions 33, 43, 53, 63, 73, 83 ... shallow grooves 34, 44, 54 , 64, 74, 84 ... contact surface 41 ... fuel gas passage groove (gas passage groove)
Claims (5)
前記燃料用セパレータ、前記酸化剤用セパレータの少なくとも一方のセパレータの前記凸部に、前記凸部の高さより小さい深さを有する浅溝が前記凸部の前記電極との当接面に設けられていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。 A polymer electrolyte membrane, a fuel electrode in contact with one surface of the polymer electrolyte membrane, an oxidant electrode in contact with the other surface of the polymer electrolyte membrane, and fuel gas is supplied to the fuel electrode A fuel separator having a plurality of gas flow channel grooves and a projection provided between the gas flow channel grooves and contacting the fuel electrode, and a plurality of gas flow channel grooves for supplying an oxidant gas to the oxidant electrode And an oxidant separator having a convex portion that is provided between the gas flow channel grooves and contacts the oxidant electrode,
A shallow groove having a depth smaller than the height of the convex portion is provided on a contact surface of the convex portion with the electrode at the convex portion of at least one of the fuel separator and the oxidant separator. The fuel cell according to claim 1, wherein:
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