JP2007157578A - Fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は燃料電池に関するものである。 The present invention relates to a fuel cell.
従来、燃料電池スタックの単位セル積層方向の厚さを薄くし、燃料電池スタックの小型化を図るために、セパレータとして金属セパレータを用いたものが、特許文献１に開示されている。
しかし、上記の発明では、例えば水素、空気の反応ガスの流路断面積を広く取るために、金属セパレータの成形量、つまり押し出し量を大きくする必要があり、それによりセパレータ平面度の悪化やクラックの発生等、金属セパレータの生産性が悪いといった問題点がある。 However, in the above-described invention, for example, in order to increase the cross-sectional area of the reactive gas gas such as hydrogen and air, it is necessary to increase the molding amount of the metal separator, that is, the extrusion amount, thereby causing deterioration of the separator flatness and cracking. There is a problem in that the productivity of the metal separator is poor, such as the occurrence of water.
また、コルゲート形状のセパレータが向かい合わさることで形成される冷却水流路断面積が大きすぎ、低温起動性が悪化するという問題点もある。 In addition, there is a problem that the cooling water flow path cross-sectional area formed by the corrugated separators facing each other is too large, and the low-temperature startability deteriorates.
本発明ではこのような問題点を解決するために発明されたもので、十分な大きさの反応ガスの流路断面積を確保しつつ、セパレータの生産性を向上し、かつ最適な冷却水流路断面を得ることを目的とする。 The present invention was invented to solve such problems, and improved the productivity of the separator while ensuring a sufficiently large cross-sectional area of the reaction gas, and an optimal cooling water flow path. The purpose is to obtain a cross section.
本発明では、燃料電池において、高分子電解質膜と、高分子電解質膜を挟持し、第１の反応ガス流路を有するガス拡散層と、ガス拡散層の外側に配設し、第１の反応ガス流路と向かい合う第２のガス流路を有し、ガス拡散層と当接するセパレータと、第１の反応ガス流路と第２の反応ガス流路とによって構成する反応ガス流路と、を備える。 In the present invention, in the fuel cell, the polymer electrolyte membrane, the gas diffusion layer having the first reaction gas flow path sandwiched between the polymer electrolyte membrane, the outer side of the gas diffusion layer, and the first reaction A separator having a second gas flow path facing the gas flow path and contacting the gas diffusion layer; and a reaction gas flow path configured by the first reaction gas flow path and the second reaction gas flow path. Prepare.
本発明によると、例えば、水素または空気が流れる反応ガス流路を、ガス拡散層に設けた第１の反応ガス流路とセパレータに設けた第２の反応ガス流路とによって構成するので、セパレータの成形量を少なくしつつ、十分な大きさの反応ガス流路断面積を確保することができ、セパレータの生産性を向上することができる。また、セパレータの成形量を調整することで、冷却水流路断面積を最適化することができる。 According to the present invention, for example, the reaction gas channel through which hydrogen or air flows is constituted by the first reaction gas channel provided in the gas diffusion layer and the second reaction gas channel provided in the separator. The reaction gas channel cross-sectional area of a sufficient size can be secured while reducing the molding amount of the separator, and the productivity of the separator can be improved. Moreover, the cooling water flow path cross-sectional area can be optimized by adjusting the molding amount of the separator.
本発明の第１実施形態の単位セル１を図１の概略構成図を用いて説明する。燃料電池スタックは、単位セル１を積層して構成する。なお、図１では説明のためアノードガス拡散層４とアノードセパレータ６との間、カソードガス拡散層５とカソードセパレータ７との間に隙間を設け、隣接する単位セル１のアノードセパレータ６を図示する。 A unit cell 1 according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to the schematic configuration diagram of FIG. The fuel cell stack is formed by stacking unit cells 1. 1, for the sake of explanation, gaps are provided between the anode gas diffusion layer 4 and the anode separator 6 and between the cathode gas diffusion layer 5 and the cathode separator 7, and the anode separator 6 of the adjacent unit cell 1 is illustrated. .
単位セル１は、電解質膜２と、電解質膜２の外周に設けた樹脂プレート３と、電解質膜２を挟持するアノードガス拡散層（ガス拡散層）４とカソードガス拡散層５（ガス拡散層）と、アノードガス拡散層４の外側に設けたアノードセパレータ（セパレータ）６と、カソードガス拡散層５の外側に設けたカソードセパレータ（セパレータ）７と、水素または空気のリークを防止するガスシール８と、冷却水のリークを防止する冷却水シール９と、を備える。 The unit cell 1 includes an electrolyte membrane 2, a resin plate 3 provided on the outer periphery of the electrolyte membrane 2, an anode gas diffusion layer (gas diffusion layer) 4 and a cathode gas diffusion layer 5 (gas diffusion layer) sandwiching the electrolyte membrane 2. An anode separator (separator) 6 provided outside the anode gas diffusion layer 4, a cathode separator (separator) 7 provided outside the cathode gas diffusion layer 5, and a gas seal 8 for preventing leakage of hydrogen or air And a cooling water seal 9 for preventing leakage of the cooling water.
電解質膜２は、例えばナフィオン（登録商標）など高分子電解質膜であり、プロトン導電性を有する。 The electrolyte membrane 2 is a polymer electrolyte membrane such as Nafion (registered trademark), for example, and has proton conductivity.
樹脂プレート３は、比較的剛性の高い樹脂で構成され、単位セル１の発電反応が生じる範囲よりも外側、つまりアノードガス拡散層４、カソードガス拡散層５と向かい合う電解質膜２の外周部に設けられる。 The resin plate 3 is made of a resin having relatively high rigidity, and is provided outside the range where the power generation reaction of the unit cell 1 occurs, that is, on the outer periphery of the electrolyte membrane 2 facing the anode gas diffusion layer 4 and the cathode gas diffusion layer 5. It is done.
アノードガス拡散層４は、例えばカーボンペーパなどで構成され、電解質膜２と当接する側に例えば白金などの触媒層（図示せず）を備える。また、外部より供給された水素が流れるガス拡散層水素流路（第１の反応ガス流路）１０ａを備える。 The anode gas diffusion layer 4 is made of, for example, carbon paper, and includes a catalyst layer (not shown) such as platinum on the side in contact with the electrolyte membrane 2. In addition, a gas diffusion layer hydrogen channel (first reaction gas channel) 10a through which hydrogen supplied from the outside flows is provided.
アノードセパレータ６は、金属セパレータであり、例えばステンレスなどで構成される。アノードセパレータ６はプレス成形によってその一部の断面形状がコルゲート形状に成形され、成形したコルゲート形状の一方の面であり、アノードガス拡散層４と向かい合う面にセパレータ水素流路１０ｂを形成し、セパレータ水素流路（第２の反応ガス流路）１０ｂを設けた背面にアノード冷却水流路１２ａを形成する。 The anode separator 6 is a metal separator and is made of, for example, stainless steel. The anode separator 6 is partially molded into a corrugated shape by press molding, and is formed on one surface of the shaped corrugated shape, and a separator hydrogen channel 10b is formed on the surface facing the anode gas diffusion layer 4, and the separator An anode cooling water channel 12a is formed on the back surface where the hydrogen channel (second reactive gas channel) 10b is provided.
アノードガス拡散層４とアノードセパレータ６とは、アノードガス拡散層４のガス拡散層水素流路１０ａを形成するリブ（第１の反応ガス流路リブ）１３の頂部１３ａとアノードセパレータ６のセパレータ水素流路１０ｂを形成する突部１４の頂部１４ａとによって当接し、電気的に接続する。また、ガス拡散層水素流路１０ａとセパレータ水素流路１０ｂとが向かい合い、ガス拡散層水素流路１０ａとセパレータ水素流路１０ｂとによって水素流路（反応ガス流路）１０を構成する。 The anode gas diffusion layer 4 and the anode separator 6 are the separator 13 hydrogen of the anode 13 and the top portion 13 a of the rib (first reaction gas channel rib) 13 that forms the gas diffusion layer hydrogen channel 10 a of the anode gas diffusion layer 4. Abutting and electrically connecting with the top 14a of the protrusion 14 forming the flow path 10b. Further, the gas diffusion layer hydrogen flow path 10a and the separator hydrogen flow path 10b face each other, and the gas diffusion layer hydrogen flow path 10a and the separator hydrogen flow path 10b constitute a hydrogen flow path (reaction gas flow path) 10.
カソードガス拡散層５は、例えばカーボンペーパなどで構成され、電解質膜２と当接する側に例えば白金などの触媒層（図示せず）を備える。また、外部より供給された空気が流れるガス拡散層空気流路（第１の反応ガス流路）１１ａを備える。 The cathode gas diffusion layer 5 is made of, for example, carbon paper, and includes a catalyst layer (not shown) such as platinum on the side in contact with the electrolyte membrane 2. In addition, a gas diffusion layer air flow path (first reaction gas flow path) 11a through which air supplied from the outside flows is provided.
カソードセパレータ７は、金属セパレータであり、例えばステンレスなどで構成される。カソードセパレータ７はプレス成形によってその一部の断面形状がコルゲート形状に成形され、成形したコルゲート形状の一方の面であり、カソードガス拡散層５と向かい合う面にセパレータ空気流路１１ｂを形成し、セパレータ空気流路（第２の反応ガス流路）１１ｂを設けた背面にカソード冷却水流路１２ｂを形成する。 The cathode separator 7 is a metal separator and is made of, for example, stainless steel. The cathode separator 7 is partially molded into a corrugated shape by press molding, and is formed on one surface of the shaped corrugated shape. A separator air channel 11b is formed on the surface facing the cathode gas diffusion layer 5, and the separator A cathode cooling water channel 12b is formed on the back surface where the air channel (second reaction gas channel) 11b is provided.
カソードガス拡散層５とカソードセパレータ７とは、カソードガス拡散層５のガス拡散層空気流路１１ａを形成するリブ（第１の反応ガス流路リブ）１５の頂部１５ａとカソードセパレータ７のセパレータ空気流路１１ｂを形成する突部１６の頂部１６ａとによって当接し、電気的に接続する。また、ガス拡散層空気流路１１ａとセパレータ空気流路１１ｂとが向かい合い、ガス拡散層空気流路１１ａとセパレータ空気流路１１ｂとによって空気流路（反応ガス流路）１１を構成する。 The cathode gas diffusion layer 5 and the cathode separator 7 include a top portion 15 a of a rib (first reaction gas channel rib) 15 that forms a gas diffusion layer air channel 11 a of the cathode gas diffusion layer 5 and a separator air of the cathode separator 7. It abuts and is electrically connected to the top 16a of the protrusion 16 forming the channel 11b. Further, the gas diffusion layer air flow channel 11a and the separator air flow channel 11b face each other, and the gas diffusion layer air flow channel 11a and the separator air flow channel 11b constitute an air flow channel (reaction gas flow channel) 11.
また、単位セル１を積層した場合に、隣接する単位セル１間では、アノードセパレータ６のセパレータ水素流路１０ｂの溝底１７の背面と、カソードセパレータ７のセパレータ空気流路１１ｂの溝底１８の背面と、が当接し、隣接する単位セル１間を電気的に接続する。また、単位セル１のアノードセパレータ６のアノード冷却水流路１２ａと、隣接する単位セル１のカソードセパレータ７のカソード冷却水流路１２ｂと、によって冷却水流路１２を構成する。 Further, when the unit cells 1 are stacked, between the adjacent unit cells 1, the back surface of the groove bottom 17 of the separator hydrogen flow path 10 b of the anode separator 6 and the groove bottom 18 of the separator air flow path 11 b of the cathode separator 7. The back surface abuts, and the adjacent unit cells 1 are electrically connected. Further, the cooling water flow path 12 is constituted by the anode cooling water flow path 12 a of the anode separator 6 of the unit cell 1 and the cathode cooling water flow path 12 b of the cathode separator 7 of the adjacent unit cell 1.
ガスシール８は、樹脂プレート３と、アノードセパレータ６またはカソードセパレータ７と、の間に設けられ、水素または空気の外部へのリークを防止する。 The gas seal 8 is provided between the resin plate 3 and the anode separator 6 or the cathode separator 7 to prevent leakage of hydrogen or air to the outside.
冷却水シール９は、隣接するアノードセパレータ６とカソードセパレータ７と間に設けられ、冷却水の外部へのリークを防止する。 The cooling water seal 9 is provided between the adjacent anode separator 6 and the cathode separator 7 to prevent leakage of the cooling water to the outside.
以上の構成によって、アノードガス拡散層４にガス拡散層水素流路１０ａを設け、水素流路１０をガス拡散層水素流路１０ａとセパレータ水素流路１０ｂとによって構成し、またカソードガス拡散層５にガス拡散層空気流路１１ａを設け、空気流路１１をガス拡散層空気流路１１ａとセパレータ空気流路１１ｂとによって構成する。 With the above configuration, the gas diffusion layer hydrogen channel 10a is provided in the anode gas diffusion layer 4, the hydrogen channel 10 is configured by the gas diffusion layer hydrogen channel 10a and the separator hydrogen channel 10b, and the cathode gas diffusion layer 5 Is provided with a gas diffusion layer air flow path 11a, and the air flow path 11 is constituted by a gas diffusion layer air flow path 11a and a separator air flow path 11b.
単位セル１では、外部から供給された水素は水素流路１０を通りアノードガス拡散層４の触媒層（図示せず）の触媒に接触し、水素がプロトンと電子に分離される。プロトンは電解質膜２内部を拡散してカソードガス拡散層５の触媒層（図示せず）に到達し、電子が外部回路を流れて、出力として取り出される。電解質膜２内部を拡散してきたプロトン、外部回路を介して移動してきた電子、および空気中の酸素によって、カソードガス拡散層５の触媒層（図示せず）で水が生成される。 In the unit cell 1, hydrogen supplied from the outside passes through the hydrogen flow path 10 and comes into contact with a catalyst in a catalyst layer (not shown) of the anode gas diffusion layer 4, so that hydrogen is separated into protons and electrons. Protons diffuse inside the electrolyte membrane 2 and reach a catalyst layer (not shown) of the cathode gas diffusion layer 5, and electrons flow through an external circuit and are taken out as an output. Water is generated in the catalyst layer (not shown) of the cathode gas diffusion layer 5 by protons diffusing inside the electrolyte membrane 2, electrons moving through the external circuit, and oxygen in the air.
なお、冷却水流路を設けない単位セルを積層して燃料電池スタックを構成しても良い。これによって、燃料電池スタックの温度を調整、すなわち冷却性能を調整し、燃料電池スタックを小型にすることができる。 The fuel cell stack may be configured by stacking unit cells that are not provided with the cooling water flow path. Thereby, the temperature of the fuel cell stack can be adjusted, that is, the cooling performance can be adjusted, and the fuel cell stack can be downsized.
本発明の第１実施形態の効果について説明する。 The effect of 1st Embodiment of this invention is demonstrated.
この実施形態では、アノードガス拡散層４にガス拡散層水素流路１０ａを設け、アノードセパレータ６にセパレータ水素流路１０ｂを設ける。そして、ガス拡散層水素流路１０ａとセパレータ水素流路１０ｂとによって水素流路１０を形成する。また、カソードガス拡散層５にガス拡散空気流路１１ａを設け、カソードセパレータ７にセパレータ空気流路１１ｂを設ける。そして、ガス拡散層空気流路１１ａとセパレータ空気流路１１ｂとによって空気流路１１を形成する。これにより、水素流路１０と空気流路１１の流路断面積を維持、または広くし、アノードセパレータ６とカソードセパレータ７との成形量を少なくすることができ、アノードセパレータ６とカソードセパレータ７との平面度を保持することができるので、アノードセパレータ６とカソードセパレータ７の生産性を良くすることができる。さらに、アノードセパレータ６とカソードセパレータ７の単位セル１積層方向の厚さを薄くすることができ、燃料電池スタックを小型にすることができる。 In this embodiment, the anode gas diffusion layer 4 is provided with a gas diffusion layer hydrogen flow path 10a, and the anode separator 6 is provided with a separator hydrogen flow path 10b. The hydrogen passage 10 is formed by the gas diffusion layer hydrogen passage 10a and the separator hydrogen passage 10b. The cathode gas diffusion layer 5 is provided with a gas diffusion air flow path 11a, and the cathode separator 7 is provided with a separator air flow path 11b. The gas flow path 11 is formed by the gas diffusion layer air flow path 11a and the separator air flow path 11b. Thereby, the flow path cross-sectional area of the hydrogen flow path 10 and the air flow path 11 can be maintained or widened, and the molding amount of the anode separator 6 and the cathode separator 7 can be reduced. Therefore, the productivity of the anode separator 6 and the cathode separator 7 can be improved. Further, the thickness of the anode separator 6 and the cathode separator 7 in the unit cell 1 stacking direction can be reduced, and the fuel cell stack can be reduced in size.
次に本発明の第２実施形態の単位セル２０について図２の概略構成図を用いて説明する。 Next, the unit cell 20 of the second embodiment of the present invention will be described with reference to the schematic configuration diagram of FIG.
この実施形態の単位セル２０は、アノードガス拡散層２１とカソードガス拡散層２２とが第１実施形態と異なっており、その他の構成については第１実施形態と同じ構成なので、ここでの説明は省略する。なお、図２では説明のためアノードガス拡散層２１とアノードセパレータ６との間、カソードガス拡散層２２とカソードセパレータ７との間に隙間を設ける。 In the unit cell 20 of this embodiment, the anode gas diffusion layer 21 and the cathode gas diffusion layer 22 are different from those of the first embodiment, and the other configurations are the same as those of the first embodiment, so the description here will be omitted. Omitted. In FIG. 2, a gap is provided between the anode gas diffusion layer 21 and the anode separator 6 and between the cathode gas diffusion layer 22 and the cathode separator 7 for explanation.
アノードガス拡散層２１は、水素の流れ方向に対して交差する方向のリブ２３の断面形状が、略台形形状であり、アノードセパレータ６と当接するリブ２３の頂部２３ａの幅Ｗ１は、ガス拡散層水素流路２４ａの溝底２５を形成するリブ２３の麓部２３ｂの幅、すなわちリブ２３の根本部分となる箇所の幅Ｗ２よりも狭い。 The anode gas diffusion layer 21 has a substantially trapezoidal cross-sectional shape of the rib 23 in a direction intersecting the hydrogen flow direction, and the width W1 of the top 23a of the rib 23 in contact with the anode separator 6 is the gas diffusion layer. The width of the flange 23b of the rib 23 forming the groove bottom 25 of the hydrogen flow path 24a, that is, the width W2 of the portion that becomes the root portion of the rib 23 is narrower.
さらに、頂部２３ａの幅Ｗ１は、アノードガスセパレータ６の突部１４の幅Ｗ３よりも狭い。 Furthermore, the width W1 of the top 23a is narrower than the width W3 of the protrusion 14 of the anode gas separator 6.
また、アノードガス拡散層２１のリブ２３の高さｈ１をリブ２３の幅Ｗ２の１／２以上とする。この実施形態では、リブ２３の幅Ｗ２を０．６０ｍｍとし、リブ２３の高さｈ１を０．３０ｍｍとする。これにより、アノードセパレータ６の突部１４の直下のアノードガス拡散層２１においても、水素の拡散性を良くすることができる。 Further, the height h1 of the rib 23 of the anode gas diffusion layer 21 is set to ½ or more of the width W2 of the rib 23. In this embodiment, the width W2 of the rib 23 is 0.60 mm, and the height h1 of the rib 23 is 0.30 mm. Thereby, also in the anode gas diffusion layer 21 immediately below the protrusion 14 of the anode separator 6, the hydrogen diffusibility can be improved.
また、アノードガス拡散層２１のガス拡散層水素流路２４ａの流路深さｈ２とアノードセパレータ６のセパレータ水素流路１０ｂの流路深さｈ３との深さの比率を４：１〜１：３の間に設定する。なお、この実施形態ではガス拡散層水素流路２４ａとセパレータ水素流路１０ｂとによって水素流路２４を形成する。これにより、水素流路２４の流路断面積を一定に保ち、さらに冷却水流路１２の流路断面積を適切に設定することができる。 Further, the ratio of the depth of the flow path depth h2 of the gas diffusion layer hydrogen flow path 24a of the anode gas diffusion layer 21 to the flow path depth h3 of the separator hydrogen flow path 10b of the anode separator 6 is 4: 1 to 1: Set between 3. In this embodiment, the hydrogen passage 24 is formed by the gas diffusion layer hydrogen passage 24a and the separator hydrogen passage 10b. Thereby, the channel cross-sectional area of the hydrogen channel 24 can be kept constant, and the channel cross-sectional area of the cooling water channel 12 can be set appropriately.
カソードガス拡散層２２は、水素の流れ方向に対して交差する方向のリブ２６の断面形状が、略台形形状であり、カソードセパレータ７と当接するリブ２６の頂部２６ａの幅Ｗ１は、溝底２８を形成するリブ２６の麓部２６ｂの幅、すなわちリブ２６で最も幅が広い箇所の幅Ｗ２よりも小さい。 In the cathode gas diffusion layer 22, the cross-sectional shape of the rib 26 in the direction intersecting the hydrogen flow direction is substantially trapezoidal, and the width W 1 of the top portion 26 a of the rib 26 that contacts the cathode separator 7 is set to Is smaller than the width of the flange portion 26b of the rib 26, that is, the width W2 of the widest portion of the rib 26.
また、カソードガス拡散層２２のリブ２６の高さｈ１をリブ２６の幅Ｗ２の１／２以上とする。この実施形態では、リブ２５の高さｈ１を０．３０ｍｍとし、リブ２６の幅Ｗ２を０．６０ｍｍとする。これにより、カソードセパレータ７のリブ２６の直下のカソードガス拡散層２２においても、空気の拡散性を良くすることができる。 Further, the height h1 of the rib 26 of the cathode gas diffusion layer 22 is set to ½ or more of the width W2 of the rib 26. In this embodiment, the height h1 of the rib 25 is 0.30 mm, and the width W2 of the rib 26 is 0.60 mm. Thereby, also in the cathode gas diffusion layer 22 directly under the rib 26 of the cathode separator 7, the air diffusibility can be improved.
また、カソードガス拡散層２２のガス拡散層空気流路２７ａの流路深さｈ２とカソードセパレータ７のセパレータ空気流路１１ｂの流路深さｈ３との寸法比率を４：１〜１：３の間に設定する。なお、この実施形態ではガス拡散層空気流路２７ａとセパレータ空気流路１１ｂとによって空気流路２７を形成する。これにより、空気流路２７との流路断面積を一定に保ち、さらに冷却水流路１２の流路断面積を適切に設定することができる。 The dimensional ratio between the channel depth h2 of the gas diffusion layer air channel 27a of the cathode gas diffusion layer 22 and the channel depth h3 of the separator air channel 11b of the cathode separator 7 is 4: 1 to 1: 3. Set in between. In this embodiment, the air flow path 27 is formed by the gas diffusion layer air flow path 27a and the separator air flow path 11b. Thereby, the flow path cross-sectional area with the air flow path 27 can be kept constant, and the flow path cross-sectional area of the cooling water flow path 12 can be set appropriately.
本発明の第２実施形態の効果について説明する。 The effect of 2nd Embodiment of this invention is demonstrated.
この実施形態では、アノードガス拡散層２１のリブ２３とカソードガス拡散層２２のリブ２５との断面形状を略台形形状とし、アノードセパレータ６と当接するリブ２３の頂部２３ａとカソードセパレータ７と当接するリブ２６の頂部２６ａとの幅Ｗ１をリブ２３の麓部２３ｂとリブ２６の麓部２６ｂとの幅Ｗ２よりも狭くすることで、単位セル２０に荷重が付与され、リブ２３、２６が潰れた場合に潰れたリブ２３、２６が水素流路２４、空気流路２７内に突出し、水素、または空気の流れを妨げることを防止することができる。 In this embodiment, the cross-sectional shape of the rib 23 of the anode gas diffusion layer 21 and the rib 25 of the cathode gas diffusion layer 22 is substantially trapezoidal, and the top 23 a of the rib 23 that contacts the anode separator 6 contacts the cathode separator 7. By making the width W1 between the top portion 26a of the rib 26 narrower than the width W2 between the flange portion 23b of the rib 23 and the flange portion 26b of the rib 26, a load is applied to the unit cell 20 and the ribs 23 and 26 are crushed. In this case, the ribs 23 and 26 that are crushed can be prevented from protruding into the hydrogen flow path 24 and the air flow path 27 and hindering the flow of hydrogen or air.
また、リブ２３、２６の高さｈ１をリブ２３、２６の幅Ｗ２の１／２以上とすることで、アノードセパレータ６の突部１４またはカソードセパレータ７の突部１６の直下のアノードガス拡散層２１の水素またはカソードガス拡散層２２の空気の拡散性を良くすることができ、単位セル２０の発電効率を向上することができる。 Further, by setting the height h1 of the ribs 23 and 26 to be 1/2 or more of the width W2 of the ribs 23 and 26, the anode gas diffusion layer immediately below the protrusion 14 of the anode separator 6 or the protrusion 16 of the cathode separator 7 is provided. The hydrogen diffusivity of the hydrogen 21 or the cathode gas diffusion layer 22 can be improved, and the power generation efficiency of the unit cell 20 can be improved.
また、アノードガス拡散層２１のガス拡散層水素流路２４ａ、カソードガス拡散層２２のガス拡散層空気流路２６ａの流路深さｈ２とアノードセパレータ６のセパレータ水素流路１０ｂ、カソードセパレータ７のセパレータ空気流路１１ｂの流路深さｈ３との寸法比率を４：１〜１：３の間に設定することで、水素流路２４と空気流路２６との流路断面積を一定に保ち、さらに冷却水流路１２の流路断面積を適切に設定することができる。これにより、燃料電池の冷却性能を維持し、低温起動時の起動性を向上させることができる。 Further, the gas diffusion layer hydrogen flow path 24 a of the anode gas diffusion layer 21, the flow depth h 2 of the gas diffusion layer air flow path 26 a of the cathode gas diffusion layer 22, the separator hydrogen flow path 10 b of the anode separator 6, and the cathode separator 7 By setting the dimensional ratio of the separator air flow path 11b to the flow path depth h3 between 4: 1 and 1: 3, the cross-sectional area of the hydrogen flow path 24 and the air flow path 26 is kept constant. In addition, the channel cross-sectional area of the cooling water channel 12 can be set appropriately. Thereby, the cooling performance of the fuel cell can be maintained, and the startability at the low temperature start can be improved.
次に本発明の第３実施形態の単位セル３０について図３の概略構成図を用いて説明する。図３はアノードセパレータ６とカソードセパレータ７とによってアノードガス拡散層３１などに荷重を付与する前の単位セル３０の概略図である。 Next, a unit cell 30 according to a third embodiment of the present invention will be described with reference to the schematic configuration diagram of FIG. FIG. 3 is a schematic view of the unit cell 30 before a load is applied to the anode gas diffusion layer 31 and the like by the anode separator 6 and the cathode separator 7.
この実施形態の単位セル３０は、単位セル３０に荷重が付与された場合にアノードガス拡散層３１のリブ３３とカソード拡散層３２のリブ３４との潰れ量を制限する高さ調整リブ３５、３６を備える。その他の構成については第１実施形態と同じ構成なので、ここでの説明は省略する。 The unit cell 30 of this embodiment includes height adjustment ribs 35 and 36 that limit the amount of crushing between the rib 33 of the anode gas diffusion layer 31 and the rib 34 of the cathode diffusion layer 32 when a load is applied to the unit cell 30. Is provided. Since other configurations are the same as those in the first embodiment, description thereof is omitted here.
高さ調整リブ３５は、リブ３３よりも弾性率が高く構成され、荷重を付与する前の高さ調整リブ３５の高さｈ４は、リブ３３の高さｈ５よりも低い。単位セル３０を積層し、積層荷重が付与されると、アノードガス拡散層３１のリブ３３は圧縮されるが、弾性率が高い高さ調整リブ３５を設けることで、アノードセパレータ６と高さ調整リブ３５とが当接し、リブ３３の潰れすぎを防ぐことができる。これにより、アノードガス拡散層３１、特にリブ３３のガス拡散性を良くすることができる。 The height adjusting rib 35 is configured to have a higher elastic modulus than the rib 33, and the height h 4 of the height adjusting rib 35 before applying a load is lower than the height h 5 of the rib 33. When the unit cells 30 are stacked and a stacking load is applied, the rib 33 of the anode gas diffusion layer 31 is compressed, but the height adjustment rib 35 having a high elastic modulus is provided to adjust the height with the anode separator 6. The ribs 35 come into contact with each other, and the ribs 33 can be prevented from being excessively crushed. Thereby, the gas diffusibility of the anode gas diffusion layer 31, particularly the rib 33, can be improved.
高さ調整リブ３５は、アノードガス拡散層３１と一体に成型した後に、高さ調整リブ３５となる箇所に例えばカーボンペーパの弾性率を高くするために含浸処理を施す。また、高さ調整リブ３５は、含浸処理を施すことで、リブ３３よりもガス拡散性が低くなる。なお、高さ調整リブ３５をアノードガス拡散層３１と異なる材料で構成しても良い。 After the height adjusting rib 35 is molded integrally with the anode gas diffusion layer 31, an impregnation process is performed on a portion that becomes the height adjusting rib 35, for example, in order to increase the elastic modulus of the carbon paper. The height adjusting rib 35 has a gas diffusibility lower than that of the rib 33 by performing the impregnation process. The height adjusting rib 35 may be made of a material different from that of the anode gas diffusion layer 31.
この実施形態では単位セル３０を構成する前の高さ調整リブ３５の高さｈ４は０．２０ｍｍとし、リブ３３の高さｈ５を０．２５ｍｍとする。 In this embodiment, the height h4 of the height adjusting rib 35 before constituting the unit cell 30 is 0.20 mm, and the height h5 of the rib 33 is 0.25 mm.
水素流路１０、すなわちガス拡散層水素流路１０ａの形状は、図４に示すように直線流路である。図４はアノードガス拡散層３１におけるガス拡散層水素流路１０ａを設けた箇所の概略図である。高さ調整リブ３５は、アノードガス拡散層３１のガス拡散層水素流路１０ａを構成するリブの中で端部に位置する箇所に設ける。つまり、ガス拡散層水素流路１０ａの中で最も外側となるガス拡散層水素流路１０ａを形成するリブを高さ調整リブ３５とする。含浸処理をした高さ調整リブ３５はリブ３３と比較してガス拡散性が低くなるが、高さ調整リブ３５をガス拡散層水素流路１０ａの最も外側となる箇所に設けることで、水素の拡散性の低下を抑制することができる。そのため、単位セル３０の発電効率の低下を抑制することができる。 The shape of the hydrogen channel 10, that is, the gas diffusion layer hydrogen channel 10a is a straight channel as shown in FIG. FIG. 4 is a schematic view of a portion in the anode gas diffusion layer 31 where the gas diffusion layer hydrogen flow path 10a is provided. The height adjusting rib 35 is provided at a position located at the end of the ribs constituting the gas diffusion layer hydrogen flow path 10 a of the anode gas diffusion layer 31. That is, the rib that forms the outermost gas diffusion layer hydrogen flow channel 10 a in the gas diffusion layer hydrogen flow channel 10 a is defined as the height adjustment rib 35. The height adjusting rib 35 subjected to the impregnation treatment has a lower gas diffusibility than the rib 33. However, by providing the height adjusting rib 35 at the outermost portion of the gas diffusion layer hydrogen flow path 10a, A decrease in diffusibility can be suppressed. Therefore, a decrease in power generation efficiency of the unit cell 30 can be suppressed.
高さ調整リブ３６は、リブ３４よりも弾性率が高く構成され、荷重を付与する前の高さ調整リブ３６の高さｈ３は、リブ３４の高さｈ４よりも低い。単位セル３０を積層し、積層荷重が付与されると、カソードガス拡散層３２のリブ３４は圧縮されるが、弾性率が高い高さ調整リブ３６を設けることで、カソードセパレータ７と高さ調整リブ３６とが当接し、リブ３４の潰れすぎを防ぐことができる。これにより、カソードガス拡散層３２、特にリブ３４のガス拡散性を良くすることができる。 The height adjusting rib 36 is configured to have a higher elastic modulus than the rib 34, and the height h 3 of the height adjusting rib 36 before applying a load is lower than the height h 4 of the rib 34. When the unit cells 30 are stacked and a stacking load is applied, the ribs 34 of the cathode gas diffusion layer 32 are compressed, but the height adjustment ribs 36 having a high elastic modulus are provided to adjust the height with the cathode separator 7. The ribs 36 come into contact with each other, and the ribs 34 can be prevented from being excessively crushed. Thereby, the gas diffusibility of the cathode gas diffusion layer 32, particularly the rib 34, can be improved.
高さ調整リブ３６は、カソードガス拡散層３２と一体に成型した後に、高さ調整リブ３６となる箇所に例えばカーボンペーパの弾性率を高くするために含浸処理を施す。また、高さ調整リブ３６は、含浸処理を施すことで、リブ３４よりもガス拡散性が低くなる。なお、高さ調整リブ３６をカソードガス拡散層３２と異なる材料で構成しても良い。 After the height adjusting rib 36 is molded integrally with the cathode gas diffusion layer 32, an impregnation process is performed on a portion that becomes the height adjusting rib 36, for example, in order to increase the elastic modulus of the carbon paper. In addition, the height adjusting rib 36 has a gas diffusibility lower than that of the rib 34 by performing the impregnation treatment. The height adjusting rib 36 may be made of a material different from that of the cathode gas diffusion layer 32.
この実施形態では単位セル３０を構成する前の高さ調整リブ３６の高さｈ３は０．２０ｍｍとし、リブ３４の高さｈ４を０．２５ｍｍとする。 In this embodiment, the height h3 of the height adjusting rib 36 before constituting the unit cell 30 is 0.20 mm, and the height h4 of the rib 34 is 0.25 mm.
空気流路１１は水素流路１０と同様に直線流路である。高さ調整リブ３６は高さ調整リブ３５と同じように、ガス拡散層空気流路１１ａの中で最も外側となるガス拡散層空気流路１１ａを形成する箇所に設けることで、空気の拡散性の低下を抑制することができる。そのため、単位セル３０の発電効率の低下を抑制することができる。 The air flow path 11 is a straight flow path similar to the hydrogen flow path 10. Like the height adjustment rib 35, the height adjustment rib 36 is provided at a location where the outermost gas diffusion layer air flow path 11a is formed in the gas diffusion layer air flow path 11a, thereby diffusing air. Can be suppressed. Therefore, a decrease in power generation efficiency of the unit cell 30 can be suppressed.
本発明の第３実施形態の効果について説明する。 The effect of the third embodiment of the present invention will be described.
この実施形態では、単位セル３０に荷重が付与された場合に、リブ３３、３４の潰れ量を制限する高さ調整リブ３５、３６を備える。これにより、単位セル３０に荷重が付与された場合にリブ３３、３４の潰れすぎを抑制し、リブ３３、３４における水素または空気の拡散性低下を抑制することができる。これにより、単位セル３０の発電効率を良くすることができる。 In this embodiment, when a load is applied to the unit cell 30, the height adjustment ribs 35 and 36 that limit the amount of crushing of the ribs 33 and 34 are provided. Thereby, when a load is applied to the unit cell 30, it is possible to suppress the ribs 33 and 34 from being excessively crushed and to suppress a decrease in hydrogen or air diffusibility in the ribs 33 and 34. Thereby, the power generation efficiency of the unit cell 30 can be improved.
また、高さ調整リブ３５、３６を水素流路１０または空気流路１１を形成するリブの中で、最も外側に設けることで、ガス拡散性の低下を抑制し、単位セル３０の発電効率の低下を抑制することができる。 Further, by providing the height adjusting ribs 35 and 36 on the outermost side among the ribs forming the hydrogen flow path 10 or the air flow path 11, a decrease in gas diffusibility is suppressed, and the power generation efficiency of the unit cell 30 is reduced. The decrease can be suppressed.
次に本発明の第４実施形態について図５の概略構成図を用いて説明する。この実施形態は水素流路の形状が、第３実施形態の水素流路１０の形状と異なっており、その他の構成については第２実施形態と同じであるので、ここでの説明は省略する。図５は、アノードガス拡散層におけるガス拡散層水素流路４０ａを設けた箇所の概略図である。 Next, a fourth embodiment of the present invention will be described with reference to the schematic configuration diagram of FIG. In this embodiment, the shape of the hydrogen flow path is different from the shape of the hydrogen flow path 10 of the third embodiment, and the other configuration is the same as that of the second embodiment, so that the description thereof is omitted here. FIG. 5 is a schematic view of a portion where the gas diffusion layer hydrogen flow path 40a is provided in the anode gas diffusion layer.
ガス拡散層水素流路４０ａは直線部４１と、直線部４１と連結し、水素の流れ方向を１８０度変更する折返し部４２とによって構成するサーペンタイン形状の流路である。図５ではガス拡散層水素流路４０ａについて図示するが、セパレータ水素流路も同様のセーペンタイン形状の流路である、つまり水素流路はサーペンタイン形状の流路である。この実施形態では、ガス拡散層水素流路４０ａの中で最も外側となるガス拡散層水素流路４０ａを形成するリブに高さ調整リブ４４ａを設け、さらに折返し部４２によって水素の流れが折り返される直線部４１を隔てるリブ、つまり隣り合う流路において、水素の流れが対向するリブに高さ調整リブ４４ｂを設ける。高さ調整リブ４４ａ、４４ｂは、含浸処理が施され、ガス拡散性は比較的低い。 The gas diffusion layer hydrogen flow path 40a is a serpentine-shaped flow path constituted by a straight portion 41 and a folded portion 42 that is connected to the straight portion 41 and changes the flow direction of hydrogen by 180 degrees. In FIG. 5, the gas diffusion layer hydrogen flow path 40a is illustrated, but the separator hydrogen flow path is a similar sepentine-shaped flow path, that is, the hydrogen flow path is a serpentine-shaped flow path. In this embodiment, height adjusting ribs 44a are provided on the ribs forming the gas diffusion layer hydrogen flow path 40a which is the outermost of the gas diffusion layer hydrogen flow paths 40a, and the flow of hydrogen is turned back by the turn-back portion 42. Height adjusting ribs 44b are provided on the ribs separating the straight portions 41, that is, on the ribs facing the flow of hydrogen in the adjacent flow paths. The height adjusting ribs 44a and 44b are impregnated and have a relatively low gas diffusibility.
サーペンタイン形状の流路では、折返し部４２によって圧力損失が大きくなるので、水素が折返し部４２を通らずに隣接する直線部４１へ水素が流れる水素のショートカットが生じ易くなるが、この実施形態ではガス拡散性が比較的低い高さ調整リブ４４ｂを設けることで、水素のショートカットを防ぐことができ、単位セルにおいて、均一な発電反応を行うことができる。 In the serpentine-shaped flow path, the pressure loss is increased by the folded portion 42, so that a hydrogen shortcut in which hydrogen flows to the adjacent straight portion 41 without passing through the folded portion 42 is likely to occur. By providing the height adjustment rib 44b having a relatively low diffusivity, a hydrogen shortcut can be prevented, and a uniform power generation reaction can be performed in the unit cell.
なお、空気流路においても水素流路と同様に高さ調整部を設けたサーペンタイン形状としても良い。 Note that the air flow path may have a serpentine shape provided with a height adjusting portion as in the hydrogen flow path.
本発明の第４実施形態の効果について説明する。 The effect of 4th Embodiment of this invention is demonstrated.
水素流路（ガス拡散層水素流路４０ａ）がサーペンタイン形状である場合に、隣り合う流路において、水素の流れ方向が対向するリブに高さ調整リブ４４ｂを設ける。ガス拡散性が比較的低い高さ調整リブ４４ｂを設けることで、水素のショートカットを抑制することができ、単位セルにおいて均一な発電反応を行うことができる。なお、空気流路をサーペンタイン形状とした場合にも同様の効果を得ることができる。 When the hydrogen flow path (gas diffusion layer hydrogen flow path 40a) has a serpentine shape, height adjustment ribs 44b are provided on the ribs facing each other in the hydrogen flow direction in adjacent flow paths. By providing the height adjustment rib 44b having relatively low gas diffusivity, hydrogen shortcuts can be suppressed, and a uniform power generation reaction can be performed in the unit cell. The same effect can be obtained when the air flow path has a serpentine shape.
本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、その技術的思想の範囲内でなしうるさまざまな変更、改良が含まれることは言うまでもない。 It goes without saying that the present invention is not limited to the above-described embodiments, and includes various modifications and improvements that can be made within the scope of the technical idea.
車両に搭載する燃料電池スタックに利用することができる。 It can be used for a fuel cell stack mounted on a vehicle.
１、２０、３０ 単位セル
２ 電解質膜
４、２１、３１ アノードガス拡散層（ガス拡散層）
５、２２、３２ カソードガス拡散層（ガス拡散層）
６ アノードセパレータ（セパレータ）
７ カソードセパレータ（セパレータ）
１０、２４ 水素流路（反応ガス流路）
１０ａ、２４ａ、４０ａ ガス拡散層水素流路（第１の反応ガス流路）
１０ｂ セパレータ水素流路（第２の反応ガス流路）
１１、２７ 空気流路（反応ガス流路）
１１ａ、２７ａ ガス拡散層空気流路（第１の反応ガス流路）
１１ｂ セパレータ空気流路（第２の反応ガス流路）
１３、１５、２３、２６、３３、３４ リブ（第１の反応ガス流路リブ）
１３ａ、１５ａ、２３ａ，２６ａ 頂部
１７、１８、２３、２８ 溝底
２３ｂ、２６ｂ 麓部
３５、３６、４４ａ、４４ｂ 高さ調整リブ
1, 20, 30 Unit cell 2 Electrolyte membrane 4, 21, 31 Anode gas diffusion layer (gas diffusion layer)
5, 22, 32 Cathode gas diffusion layer (gas diffusion layer)
6 Anode separator (separator)
7 Cathode separator (separator)
10, 24 Hydrogen channel (reactive gas channel)
10a, 24a, 40a Gas diffusion layer hydrogen flow path (first reaction gas flow path)
10b Separator hydrogen channel (second reactive gas channel)
11, 27 Air channel (reactive gas channel)
11a, 27a Gas diffusion layer air flow path (first reaction gas flow path)
11b Separator air channel (second reactive gas channel)
13, 15, 23, 26, 33, 34 Rib (first reaction gas channel rib)
13a, 15a, 23a, 26a Top 17, 18, 23, 28 Groove bottom 23b, 26b Gutter 35, 36, 44a, 44b Height adjustment rib
Claims (7)
前記電解質膜を挟持し、第１の反応ガス流路を有するガス拡散層と、
前記ガス拡散層の外側に配設し、前記第１の反応ガス流路と向かい合う第２のガス流路を有し、前記ガス拡散層と当接するセパレータと、
前記第１の反応ガス流路と前記第２の反応ガス流路とによって構成する反応ガス流路と、を備えた燃料電池。 An electrolyte membrane;
A gas diffusion layer sandwiching the electrolyte membrane and having a first reaction gas flow path;
A separator disposed outside the gas diffusion layer, having a second gas flow channel facing the first reaction gas flow channel, and in contact with the gas diffusion layer;
A fuel cell comprising: a reaction gas channel configured by the first reaction gas channel and the second reaction gas channel.
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