JP2009043453A - Fuel cell separator, its manufacturing method, and fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電解質膜の両側に電極を接合して備える燃料電池セルに積層した状態で電極に反応ガスを供給する流路を形成する燃料電池用セパレータとその製造方法および燃料電池用セパレータを有する燃料電池に関する。 The present invention includes a fuel cell separator that forms a flow path for supplying a reaction gas to an electrode in a state of being stacked on a fuel battery cell having electrodes attached to both sides of an electrolyte membrane, a manufacturing method thereof, and a fuel cell separator The present invention relates to a fuel cell.
燃料電池は、膜電極接合体を発電単位とする燃料電池セルを備え、膜電極接合体のそれぞれの電極に反応ガスを供給するための流路を燃料電池用セパレータで形成する。燃料電池セルは水素と酸素の電気化学的反応を経て発電することから、カソード側では水が生成される。この生成水がカソードへのガス供給流路に留まると流路閉塞に伴ういわゆるフラッディングが起きることから、生成水排水のための技術が種々提案されている(例えば、特許文献1等)。 The fuel cell includes a fuel cell having a membrane electrode assembly as a power generation unit, and a flow path for supplying a reaction gas to each electrode of the membrane electrode assembly is formed by a fuel cell separator. Since fuel cells generate electricity through an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen, water is generated on the cathode side. When this generated water stays in the gas supply flow path to the cathode, so-called flooding occurs due to the blockage of the flow path, and various techniques for draining the generated water have been proposed (for example, Patent Document 1).
これら特許文献では、ガス供給流路に当該流路とは別に生成水排水の溝や凹所を別途形成し、毛細管現象により水(生成水)をこれら溝や凹所に捕捉した上で、外部に水を排出している。 In these patent documents, grooves and recesses for generated water drainage are separately formed in the gas supply flow path separately from the flow paths, and water (product water) is captured in these grooves and recesses by capillary action, and then externally The water is discharged.
セパレータのガス流路は、毛細管現象を利用して水を捕捉可能な溝や凹所の形成対象であるために、むやみに小サイズかすることができないのが実情である。つまり、ガス流路の小サイズ化は燃料電池のセル積層方向の小サイズ化、小型化に寄与するが、上記従来の技術ではガス流路の寸法確保の上から燃料電池の小型化の余地が残されたままである。 In reality, the gas flow path of the separator cannot be reduced to an unnecessarily small size because it is a formation target of a groove or a recess that can capture water using a capillary phenomenon. In other words, the reduction in the size of the gas flow path contributes to the reduction in size and size in the cell stacking direction of the fuel cell. However, in the conventional technique described above, there is room for downsizing of the fuel cell from securing the dimensions of the gas flow path. It remains.
本発明は、燃料電池における反応ガス供給のための流路を有する燃料電池用セパレータを提供するに際し、流路の小サイズ化を通して燃料電池の小型化を進めることをその目的とする。 An object of the present invention is to provide a fuel cell separator having a flow path for supplying a reaction gas in a fuel cell, and to reduce the size of the fuel cell by reducing the size of the flow path.
上記した目的の少なくとも一部を達成するために、本発明では、以下の構成を採用した。 In order to achieve at least a part of the above object, the present invention adopts the following configuration.
[適用1:燃料電池用セパレータ]
電解質膜の両側に電極を接合して備える燃料電池セルに積層して用いられ、前記燃料電池セルと積層された状態で前記電極に反応ガスを供給する流路を形成する燃料電池用セパレータであって、
プレートを備え、
該プレートにおける前記燃料電池セルと積層される側のセル対向面に、ダイスを用いた伸線加工を経て形成された金属ワイヤを多列に固定して備え、該固定された多列の金属ワイヤ間の間隙を、前記流路とする
ことを要旨とする。
[Application 1: Fuel cell separator]
A separator for a fuel cell, which is used by being stacked on a fuel battery cell having electrodes attached to both sides of an electrolyte membrane, and forms a flow path for supplying a reactive gas to the electrode while being stacked with the fuel battery cell. And
With a plate,
A metal wire formed by wire drawing using a die is fixed in multiple rows on the cell facing surface of the plate on the side laminated with the fuel cells, and the fixed multi-row metal wires are provided. The gist is that the gap between them is the flow path.
[適用2:燃料電池用セパレータの製造方法]
電解質膜の両側に電極を接合して備える燃料電池セルに積層して用いられる燃料電池用セパレータの製造方法であって、
プレートを準備し、
該プレートの一方の面に、ダイスを用いた伸線加工により金属ワイヤを形成しつつ該金属ワイヤを前記プレートの表面に固定して前記金属ワイヤからなる凸条を形成し、該凸条を前記プレートの表面に多列に形成する
ことを要旨とする。
[Application 2: Manufacturing method of fuel cell separator]
A method for producing a separator for a fuel cell, which is used by being laminated on a fuel cell provided with electrodes attached to both sides of an electrolyte membrane,
Prepare the plate,
On one surface of the plate, while forming a metal wire by wire drawing using a die, the metal wire is fixed to the surface of the plate to form a protrusion made of the metal wire, and the protrusion is The gist is to form in multiple rows on the surface of the plate.
上記した燃料電池用セパレータは、反応ガスを供給するための流路を、ダイスを用いた伸線加工を経て多列に形成された金属ワイヤ間の間隙とする。こうした伸線加工、例えば、金属の冷間引き抜きでは、その加工特性上、ダイスの開口形状に倣った断面形状を有する金属ワイヤを細緻な間隔、例えば100〜1000μmピッチで正確かつ簡便に多列に形成できる。しかも、流路の高さとなる金属ワイヤの厚み(高さ)についても、上記した100〜1000μm程度とすることができる。このため、多列に形成された金属ワイヤ間の間隔と金属ワイヤの厚み(高さ)で定まる流路を小サイズ化して、燃料電池をセル積層方向において小サイズ、小型化することができる。 In the fuel cell separator described above, the flow path for supplying the reaction gas has gaps between metal wires formed in multiple rows through wire drawing using a die. In such wire drawing, for example, cold drawing of metal, due to its processing characteristics, metal wires having a cross-sectional shape following the opening shape of a die are accurately and easily arranged in multiple rows at fine intervals, for example, 100 to 1000 μm pitch. Can be formed. Moreover, the thickness (height) of the metal wire that becomes the height of the flow path can be set to about 100 to 1000 μm as described above. For this reason, the fuel cell can be reduced in size and size in the cell stacking direction by reducing the size of the flow path determined by the interval between the metal wires formed in multiple rows and the thickness (height) of the metal wires.
また、上記したように金属ワイヤの断面形状を、ダイスの開口形状に倣った断面形状とできることから、次のような利点がある。 In addition, as described above, the cross-sectional shape of the metal wire can be a cross-sectional shape that follows the opening shape of the die, and thus has the following advantages.
反応ガスの流路に、毛細管現象を利用して水を捕捉する溝や凹所を形成することは、外部への排水の点から望まれているが、こうした溝や凹所は、毛細管現象を利用している都合上、寸法上細緻さが求められる。切削加工にて細緻寸法の溝や凹所を形成するには、機械装置の側での精密駆動機構を必要としたり、工程管理が煩雑となることが指摘されるに至った。また、プレス加工では細緻な寸法の溝・凹所の形成に限界があり、毛細管現象を利用して水を捕捉可能な溝や凹所をプレス加工にて形成することは現実的でない。この他、フォトレジスト法を用いたエッチングでは、レジストの印刷、エッチング溶液によるエッチング等といった多様な工程が必要となり工程管理の複雑化を招くことも指摘されるに至った。 The formation of grooves and recesses that capture water using capillary action in the reaction gas flow path is desired from the viewpoint of drainage to the outside, but such grooves and recesses do not cause capillary action. For the convenience of use, dimensional precision is required. It has been pointed out that, in order to form fine-sized grooves and recesses by cutting, a precision drive mechanism on the machine device side is required, and process management becomes complicated. In addition, there is a limit to the formation of fine grooves and recesses in press working, and it is not realistic to form grooves and recesses capable of catching water by press working using capillary action. In addition, it has been pointed out that etching using a photoresist method requires various processes such as resist printing and etching with an etching solution, resulting in complicated process management.
しかしながら、上記した構成のセパレータを用いた燃料電池、即ち、ダイスを用いた伸線加工を経て多列に形成された金属ワイヤ間の間隙を流路とする燃料電池では、金属ワイヤの断面形状をダイスの開口形状に倣った断面形状とできるので、ダイスの開口形状を、金属ワイヤに窪みを形成する形状とすれば、その窪みに、流路に存在する水を毛細管現象により捕捉できる。そして、こうした窪みは、上記した流路寸法よりも当然に小さくなるので、金属ワイヤ間の流路において、毛細管現象により水を捕捉するための窪みを細緻寸法で容易に形成できる。例えば、流路寸法が上記した100〜1000μm程度の小サイズな流路であっても、窪みについては、これより細緻な30〜500μm程度に容易にできる。そして、この30〜500μm程度の窪み(好ましくは30〜100μm)は、毛細管現象による水の捕捉を高い実効性で実現できる。このことは、水による流路の閉塞を高い実効性で回避できることと同義であるので、流路閉塞に伴う圧力損失を緩和でき、ガス供給の信頼性を高めることができる。 However, in a fuel cell using the separator having the above-described configuration, that is, a fuel cell in which gaps between metal wires formed in multiple rows through wire drawing using dies are used as flow paths, the cross-sectional shape of the metal wire is Since a cross-sectional shape that follows the opening shape of the die can be formed, if the opening shape of the die is formed to form a depression in the metal wire, water existing in the flow path can be captured in the depression by capillary action. And since such a hollow becomes naturally smaller than the above-mentioned flow path dimension, in the flow path between metal wires, the hollow for capturing water by capillary action can be easily formed with a fine dimension. For example, even a small channel having a channel size of about 100 to 1000 μm described above can be easily reduced to about 30 to 500 μm finer than this. The depression of about 30 to 500 μm (preferably 30 to 100 μm) can achieve water trapping with high effectiveness by capillary action. This is synonymous with the fact that it is possible to avoid the blockage of the flow path due to water with high effectiveness, so that the pressure loss accompanying the blockage of the flow path can be alleviated and the reliability of the gas supply can be improved.
しかも、細緻寸法の窪みを金属ワイヤに沿って連続させるので、窪みに捕捉した水を容易に連続させることができる。この結果、窪みに捕捉済みの水を、金属ワイヤ間の流路を反応ガスが通過する間に生じる力(ガス流に基づく力)によって流路に沿って流すことができるので、流路における排水性を高めることができる。例えば、燃料電池を低負荷で長時間運転するような場合には、反応ガスの流速は遅くなるのでガス流に基づく力は小さくなり、捕捉済みの水は水滴或いは水膜と成りやすく、小さな力での排水は困難となって水詰まりが起きやすいが、上記した窪みでは水滴や水膜は合体して水が連続することから、小さな力によっても容易に排水できる。このことは、燃料電池の発電能力維持の上から有益である。 And since the hollow of a fine dimension is continued along a metal wire, the water captured by the hollow can be made to continue easily. As a result, water trapped in the depression can be caused to flow along the flow path by a force (force based on the gas flow) generated while the reaction gas passes through the flow path between the metal wires. Can increase the sex. For example, when the fuel cell is operated at a low load for a long time, the reaction gas flow rate becomes slow, so the force based on the gas flow becomes small, and the trapped water tends to form water droplets or a water film. It is difficult to drain water, and water clogging is likely to occur. However, since the water drops and the water film are combined and water continues in the above-described depression, the water can be drained easily even with a small force. This is beneficial for maintaining the power generation capacity of the fuel cell.
上記した燃料電池用セパレータは、次のような態様とすることができる。例えば、上記した多列の金属ワイヤにて流路を形成したプレートとした上で、当該プレートに対向する対向プレートを備え、該対向プレートと前記プレートとの間に、ダイスを用いた伸線加工を経て形成された金属ワイヤを多列に固定して備え、該固定された多列の金属ワイヤ間の間隙を、前記対向プレートと前記プレートとの間における冷却媒体の流路とする。こうすれば、媒体流路の小サイズ化に伴う流路表面積の増大により、高い冷却能力を発揮できる。しかも、ダイス形状を異形形状とすれば、流路表面積はより一層の増大により冷却能力を高めることができる。 The fuel cell separator described above can be configured as follows. For example, a plate in which a flow path is formed by the above-described multi-row metal wires, a counter plate facing the plate, and a wire drawing process using a die between the counter plate and the plate The metal wires formed through the above are fixed in multiple rows, and the gap between the fixed multiple rows of metal wires is used as a flow path for the cooling medium between the opposed plate and the plate. In this way, a high cooling capacity can be exhibited due to an increase in the surface area of the flow path accompanying a reduction in the size of the medium flow path. Moreover, if the die shape is an irregular shape, the cooling capacity can be increased by further increasing the channel surface area.
本発明は、上記した燃料電池用セパレータを電解質膜の両側に電極を接合して備える燃料電池セルに積層した燃料電池としても適用できる。つまり、この燃料電池は、電解質膜の両側に電極を接合して備える燃料電池セルの電極に、金属ワイヤ間をガス流路とした燃料電池用セパレータから反応ガスを供給する。 The present invention can also be applied to a fuel cell in which the above-described fuel cell separator is stacked on a fuel cell having electrodes on both sides of an electrolyte membrane. That is, in this fuel cell, the reaction gas is supplied from the fuel cell separator having the gas flow path between the metal wires to the electrode of the fuel cell provided with electrodes joined to both sides of the electrolyte membrane.
以下、本発明の実施の形態を実施例に基づいて説明する。図1は本発明の実施例としての燃料電池10の構成を概略的に示す説明図、図2は燃料電池10に用いるセパレータに形成した酸素流路用リブ160の様子を一部拡大して示す説明図である。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described based on examples. FIG. 1 is an explanatory view schematically showing a configuration of a
図に示すように、本実施例の燃料電池10は、燃料電池セル100をセパレータ150を介在させて複数積層させたスタック構造を有する。この場合、燃料電池10における燃料電池セル100の積層数は、燃料電池10に要求される出力に応じて任意に設定可能である。なお、燃料電池10は、燃料ガスとしての水素や、酸化剤ガスとしての空気や、冷却水を、それぞれの燃料電池セル100に分配して供給するためのマニホールドやセル積層方向に沿った流路を有するが、これらは本発明の要旨と直接関係しないので、その図示並びに説明は省略する。
As shown in the figure, the
燃料電池セル100は、プロトン伝導性を有する電解質膜112の両面の電極114、116を接合させた膜電極接合体(MEA:Membrane Electrode Assembly)110と、各電極に反応ガスを拡散供給するガス拡散層120、122とを接合固定して備え、一方の電極をアノードとし他方の電極をカソードとして、この膜電極接合体110を発電単位としている。電解質膜112は、種々のものが採用でき、固体高分子膜や、電解質として固体酸化物等を用いた電解質膜とすることができる。ガス拡散層120、122は、それぞれが接合する電極114、116に反応ガス(カソードでは空気、アノードでは水素ガス)を拡散させつつ受け渡す。ガス拡散層120、122は、金属メッシュ、カーボンペーパ等の多孔質材料から形成され、セパレータ150を経て供給された反応ガスを電極114、116にそれぞれ拡散させつつ供給する。本実施例では、説明の便宜上、電極114とこれに接合したガス拡散層120の側をアノードとし、電極116とガス拡散層122の側をカソードとする。
The
上記した燃料電池セル100とその両側において接合して積層されるセパレータ150は、平板状の第1プレート151と第2プレート155とを備え、各プレートのプレート面に流路形成のためのリブを備える。つまり、電極116とガス拡散層122のカソードの側には、第1プレート151表面に酸素流路用リブ160を備え、電極114とガス拡散層120のアノードの側には、第2プレート155表面に水素流路用リブ170を備え、第1プレート151裏面(第1、第2のプレート間)に冷媒流路用リブ162を備え、これら各リブを導電性の接着剤層Sにてプレート表面に接着固定している。これら各リブは、ダイスを用いた金属の冷間引き抜き手法にて形成され、その断面形状は、図示するように十字形状とされ、酸素流路用リブ160にあってはカソードの側のガス拡散層122に当接し、水素流路用リブ170はアノードの側のガス拡散層120に当接している。本実施例では、第1プレート151や第2プレート155を耐久性・加工性の観点からステンレス鋼のプレートとし、酸素流路用リブ160等の各リブについても、耐久性に優れるステンレス線材から形成した。そして、第1プレート151や第2プレート155については、その厚みを100〜200μmとし、酸素流路用リブ160等の各リブのリブピッチPとリブ高さhを、約100〜1000μmの寸法とした。
The
セパレータ150は、隣り合う酸素流路用リブ160の間を酸素流路ORとし、隣り合う冷媒流路用リブ162の間を冷媒流路RRとし、隣り合う水素流路用リブ170の間を水素流路HRとする。これら流路は、各リブの上記したリブピッチPとリブ高さhで定まる流路面積となる。
The
セパレータ150は、これら流路へのガス・冷媒の導入・排出のための孔を有する。つまり、図2に示すように、セパレータ150は、酸素流路用リブ160等の各リブの一方端側に、空気導入孔152iと水素ガス導入孔153i、冷媒導入孔154iを備え、他方端側に空気排出孔152oと水素ガス排出孔153o、冷媒排出孔154oを備え、セパレータ150の酸素流路OR等の流路には、燃料電池10が有する既述したガス・冷媒の流路から酸素、水素ガス、冷却媒体が個別に流れ込む。そして、セパレータ150は、空気導入孔152iを通過する酸素を酸素流路用リブ160間の酸素流路ORを経てカソードのガス拡散層122に供給し、水素ガス導入孔153iを通過する水素ガスを水素流路用リブ170の間の水素流路HRを経てアノードのガス拡散層120に供給し、冷媒導入孔154iを通過する水等の冷却媒体を冷媒流路用リブ162間の冷媒流路RRを通過させる。燃料電池10のそれぞれの燃料電池セル100は、上記のようにセパレータ150からカソード・アノードに供給された空気中の酸素と水素ガス中の水素を膜電極接合体110にて電極反応に供し、発電し、燃料電池10は、これらセルの発電電力を集電して外部に出力する。なお、セパレータ150は、余剰の空気や水素ガスの他、発電に伴う生成水や冷媒を、空気排出孔152o、水素ガス排出孔153o、冷媒排出孔154oを経て外部に排出する。
The
次に、上記した構成を有する本実施例の燃料電池10の製造手順について説明する。図3は燃料電池10の製造手順を示す手順図である。燃料電池10を製造するに当たっては、セパレータ150と燃料電池セル100とを順次、或いは並行して作成もしくは準備した上で、燃料電池セル100と150とを積層する。このため、本実施例では、まず、セパレータ150の作成のために第1プレート151と第2プレート155を準備する(ステップS100)。このプレート準備に当たっては、ステンレス鋼板にロールプレス・パンチプレスを施して、上記した50〜200μmの厚みに延伸しつつ、図2に示すような外形形状打ち抜きと空気導入孔152i等の孔打ち抜きがなされる。或いは、外形および孔が既に打ち抜き済みのプレートを第1プレート151、155として準備する。
Next, the manufacturing procedure of the
プレート準備に続くステップS110〜120では、第1プレート151についてはその両面に、第2プレート155については片面に、金属ワイヤにて酸素流路用リブ160、冷媒流路用リブ162および水素流路用リブ170を形成する。この両ステップは、図示するように順次実行できるほか、この逆の順で或いは並行して実行できる。図4は第1プレート151の一面にダイスDを用いた金属の冷間引き抜き手法により酸素流路用リブ160を形成する様子を模式的に示す説明図である。この図4および図2に示すように、第1プレート151を図示しない冷間引き抜き装置にセットし、ダイスDにおけるダイスホールDHからのステンレス線材の冷間引き抜きされた金属ラインを、第1プレート151におけるプレート一端側から他端側に掛けて延びた列状の接着剤層Sに重なるようにして列状に形成する。本実施例では、図4に示すように、ダイスホールDHを十字状の開口形状としたので、冷間引き抜きされた金属ラインは、ダイスホールDHの開口形状に倣った十字状の断面となり、当該断面における下端側平坦部が列状の接着剤層Sに接するよう、形成される。
In steps S110 to S120 following the plate preparation, the
そして、接着剤層Sの硬化処理、例えば加熱・冷却等を経て、この接着剤層Sにより金属ラインを接着・固定して当該金属ラインを酸素流路用リブ160とし、この酸素流路用リブ160を、既述したリブピッチPとリブ高さhで第1プレート151の表面に多列に形成する。第1プレート151では、プレート裏面についても、冷媒流路用リブ162を上記と同一手法で多列に形成する。ステップS120では、第2プレート155の一方の表面に、水素流路用リブ170を上記と同一の手法で多列に形成する。
The adhesive layer S is cured, for example, heated or cooled, and the metal line is bonded and fixed by the adhesive layer S to form the
接着剤層Sは、図4に示すように、接着剤(導電性接着剤)を多列状に予め塗布しておくようにできるほか、ダイスDから冷間引き抜きされる金属ラインの接着面に接着剤(導電性接着剤)を塗布するようにすることもできる。本実施例では、接着剤層Sの伝熱性・導電性並びに耐食性を担保するため、市販の導電性エポキシ系接着剤に金粉末をさらなる導電性フィラーとして混入させた導電性接着剤を用いた。 As shown in FIG. 4, the adhesive layer S can be pre-applied in multiple rows of adhesives (conductive adhesives), and can be applied to the adhesive surface of a metal line that is cold drawn from the die D. An adhesive (conductive adhesive) can also be applied. In this example, in order to ensure the heat conductivity, conductivity, and corrosion resistance of the adhesive layer S, a conductive adhesive in which gold powder was mixed as a further conductive filler in a commercially available conductive epoxy adhesive was used.
続くステップ130では、既述したように酸素流路用リブ160と冷媒流路用リブ162が形成済みの第1プレート151と、水素流路用リブ170が形成済みの第2プレート155とを、冷媒流路用リブ162が両プレートで挟持されるように接合させ、接着剤にて固定する。これにより、セパレータ150が得られる。なお、このステップS130での接着に用いる接着剤とステップS120での冷媒流路用リブ162の形成に用いる接着剤は、必ずしも導電性接着剤とする必要はないが、取り扱い・管理の簡便化から、本実施例では上記した導電性接着剤を用いた。
In the subsequent step 130, as described above, the
続くステップ140では、膜電極接合体110の両側にガス拡散層120とガス拡散層122と接合形成済みの燃料電池セル100とステップ130にて得られたセパレータ150とを、所定数積層して燃料電池スタックとし、この燃料電池スタックの両端に集電板およびエンドプレートとを配置した上で、燃料電池スタックをセル積層方向に沿って締結し(ステップS150)、燃料電池10を得る。
In subsequent step 140, a predetermined number of gas diffusion layers 120, gas diffusion layers 122,
以上説明したように、本実施例では、燃料電池セル100とセパレータ150を積層した燃料電池セル100を複数積層して燃料電池10とするに当たり、それぞれの燃料電池セル100におけるカソードおよびアノードに反応ガスである空気と水素ガスを供給するための流路(酸素流路ORと水素流路HR)をセパレータ150にて形成する。そして、セパレータ150は、カソード側およびアノード側において、第1プレート151の表面にはダイスDを利用した金属ワイヤからなる酸素流路用リブ160を多列に備え、第2プレート155の表面に同じく金属ワイヤからなる水素流路用リブ170を多列に備え、列状の酸素流路用リブ160の間隙を酸素流路ORとし、水素流路用リブ170の間隙を水素流路HRとする。
As described above, in the present embodiment, when a plurality of
これら酸素流路用リブ160と水素流路用リブ170は、ダイスDを用いた金属の冷間引き抜き手法を経ていることから、その加工特性上、ダイスDのダイスホールDHの開口形状に倣った十字形状の断面形状を備えると共に、100〜1000μm程度という細緻なリブピッチPとリブ高さhで正確かつ簡便に酸素流路用リブ160と水素流路用リブ170を多列に形成できる。そして、酸素流路ORと水素流路HRのサイズは、多列に形成された上記のリブのリブピッチPと各リブのリブ高さhで定まることから、本実施例では酸素流路ORと水素流路HRを上記した程度まで小サイズ化できる。この結果、本実施例のセパレータ150を有する燃料電池10では、燃料電池セル100のセル積層方向における小サイズにより電池の小型化を図ることができる。
Since the
また、本実施例では、既述したように酸素流路用リブ160と水素流路用リブ170とを、断面形状が十字状のリブとしたので、次のような利点がある。図5は十字断面の酸素流路用リブ160を用いることによる水の捕捉・排出の様子を模式的に示す説明図である。なお、図において、第1プレート151についてはこれを透視して酸素流路用リブ160を描画した。
Further, in this embodiment, as described above, the
図示するように、酸素流路用リブ160はその断面が十字形状であることから、カソード電極面、詳しくはカソードを構成するガス拡散層122の表面の側と、第1プレート151の表面の側とに、窪み161を2箇所ずつ形成する。この窪み161は、ガス拡散層122側では拡散層表面とリブ表面で3方が囲まれ、第1プレート151の側ではプレート表面とリブ表面で3方が囲まれる。酸素流路用リブ160は、それ自体が上記した100〜1000μm程度であることから、窪み161は、その寸法がリブ寸法より更に小さく、50〜500μm程度の細緻な寸法となる。そして、窪み161は、こうした細緻な寸法で酸素流路用リブ160に沿って連続することになる。
As shown in the figure, since the cross section of the
カソード表面、詳しくはガス拡散層122の表面には、酸素と水素の電気化学反応により生じた生成水が微細な水滴もしくは水膜の状態で存在するが、これら水滴・水膜は、窪み161が上記した細緻寸法であることから、図5に示すように、毛細管現象により容易にかつ確実に窪み161に捕捉されて当該窪みにて集合・合体し、この窪み161に沿って容易に連続する。こうした窪み161への水の捕捉により、酸素流路ORの流路面積を窪み161を除く範囲に確保できるので、水による流路閉塞を回避して、空気供給の信頼性を高めることができる。また、上記した水の捕捉が起きた状態で、空気は、窪み161を除く範囲の酸素流路ORを確実に通過するので、窪み161に捕捉済みの水は、この空気の流れにより酸素流路用リブ160に沿って流れる。この場合、水は窪み161において上記したように連続していることから、窪み161に捕捉済みの水を、僅かな空気の流れによっても酸素流路用リブ160に沿って容易かつ確実に流してセル外部に排出することができる。よって、水による流路閉塞に伴う燃料電池10の発電性能低下を高い実効性で抑制して、発電性能維持もしくは向上を図ることができる。より具体的に説明すると、燃料電池10が低負荷で長時間運転しているような場合には、空気の供給量は少なくその流速も遅くなるが、こうした状況下であっても、窪み161に捕捉済みの水を容易かつ確実にセル外に排水できることから、燃料電池10の発電能力を確実に維持できる。上記した排水性は、アノードの側においても、水素流路用リブ170により発揮される。
On the cathode surface, specifically, the surface of the
そして、本実施例では、水の高い排水性を備えたセパレータ150、延いてはこれを有する燃料電池セル100や燃料電池10を、容易に製造できる。
In this embodiment, it is possible to easily manufacture the
上記した実施例の酸素流路用リブ160は、窪み161をカソードの表面側、詳しくはガス拡散層122の表面にも形成して、当該拡散層表面において水を捕捉する。よって、水捕捉済みの窪み161の範囲において、拡散層表面は水で塞がれて当該表面からの空気の入り込みは起きない。しかしながら、窪み161の寸法はリブ間の酸素流路ORの寸法に比して小さいので、水捕捉済みの窪み161を除いた範囲を十分確保でき、当該範囲においてガス拡散層122への空気の入り込みが起きることから、特段の支障はない。
The
また、本実施例では、第1プレート151と第2プレート155との間にダイスDを用いた冷間引き抜き手法により冷媒流路用リブ162を形成し、リブ間の間隙を冷媒流路RRとした。この冷媒流路RRにあっても、既述したような小サイズ化される。このため、冷媒流路RRの小サイズ化に伴い燃料電池10の小型化を進めることができる。
Further, in this embodiment, the refrigerant
しかも、冷媒流路RRの小サイズ化と共に、当該流路形成のための水素流路用リブ170を十字形状の断面のリブとしたので、冷媒流路RRの流路表面積を増大させることができる。このため、本実施例のセパレータ150を用いることで、冷却能力を容易に高めることができる。
In addition, the size of the refrigerant flow path RR is reduced, and the hydrogen
なお、本発明は上記した実施例や変形例の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様にて実施することが可能である。例えば、セパレータ150の第1プレート151や第2プレート155に形成する酸素流路用リブ160等の金属ライン製のリブは、その断面が十字形状に限られるわけではなく、種々設定できる。図6は変形例の酸素流路用リブ160と水捕捉の様子とを説明する説明図である。
The present invention is not limited to the above-described embodiments and modifications, and can be implemented in various modes without departing from the scope of the invention. For example, the ribs made of metal lines such as the oxygen
図示するように、酸素流路用リブ160は、種々の断面形状とでき、図6(A)に示すような台形断面形状の他、図6(B)に示すH状断面形状、図6(C)に示すT字状断面形状、図6(D)に示す円形断面形状とすることができる。図6(A)に示す台形断面形状の酸素流路用リブ160Aは、台形底辺側にてカソードに接合することで、台形頂上側に第1プレート151の表面と台形斜辺でV字状に囲まれた窪み161Aを形成し、当該窪みに毛細管現象により水を捕捉してセル外に排水する。この窪み161Aは、カソード表面から離れているので、カソード表面、詳しくはガス拡散層122の表面から水を離すことができることから、ガス拡散層122への空気の入り込みを阻害しないようにできる。
As shown in the figure, the
図6(B)に示すH状断面形状の酸素流路用リブ160Bは、図示するようにカソードに接合することで、リブにて3方が囲まれた窪み(凹所)161Bを形成し、当該窪みに毛細管現象により水を捕捉してセル外に排水する。この窪み161Bにあってもカソード表面から離れているので、ガス拡散層122への空気の入り込みを阻害しないようにできる。図6(C)に示すT字状断面形状の酸素流路用リブ160Cは、図示するようにカソードに接合することで、第1プレート151の表面とリブにて3方が囲まれた窪み161Cをカソードから離して形成し、当該窪みに毛細管現象により水を捕捉してセル外に排水する。この窪み161Cにあってもカソード表面から離れているので、ガス拡散層122への空気の入り込みを阻害しないようにできる。図6(D)に示す円形断面形状の酸素流路用リブ160Dは、図示するようにカソードに接合することで、カソード側と第1プレート151の側に窪み161Dを形成し、当該窪みに毛細管現象により水を捕捉してセル外に排水する。この酸素流路用リブ160Dは、上記実施例の酸素流路用リブ160と同様に窪み161Dをガス拡散層122の表面に形成するが、既述したようにガス拡散層122への空気の入り込みについて特段の支障はない。
The oxygen
図6に示した形状以外の酸素流路用リブ160とできる他、図6(A)と図6(C)に示す酸素流路用リブ160Aと酸素流路用リブ160Cを、図示する形状を逆さにしたリブとすることもできる。また、同一形状の酸素流路用リブを多列に有する他、異なる形状の酸素流路用リブ、例えば図1に示す十字断面形状の酸素流路用リブ160と図6(B)に示すH状断面形状の酸素流路用リブ160Bとを交互に並べて多列に備えるセパレータ150とすることもできる。
In addition to the shape of the oxygen
また、図4に示すようにダイスDを用いた冷間引き抜き手法による酸素流路用リブ160の形成に際して、リブ表面と第1プレート151の表面に金コートを行うようにすることもできる。こうすれば、リブとプレートとの接合箇所における導電性が高まり好ましい。更に、接着剤層Sにて酸素流路用リブ160や水素流路用リブ170等を接着固定したセパレータ150をその全体においてカーボンコートすれば、接着剤層Sの導電性フィラーの保護、耐食性確保の点から好ましい。
Also, as shown in FIG. 4, when the oxygen
10…燃料電池
100…燃料電池セル
110…膜電極接合体
112…電解質膜
114…電極
116…電極
120…ガス拡散層
122…ガス拡散層
150…セパレータ
151…第1プレート
152i…空気導入孔
152o…空気排出孔
153i…水素ガス導入孔
153o…水素ガス排出孔
154i…冷媒導入孔
154o…冷媒排出孔
155…第2プレート
160、160A〜160D…酸素流路用リブ
161、161A〜161D…窪み
162…冷媒流路用リブ
170…水素流路用リブ
S…接着剤層
P…リブピッチ
h…リブ高さ
D…ダイス
DH…ダイスホール
OR…酸素流路
RR…冷媒流路
HR…水素流路
DESCRIPTION OF
Claims (6)
プレートを備え、
該プレートにおける前記燃料電池セルと積層される側のセル対向面に、ダイスを用いた伸線加工を経て形成された金属ワイヤを多列に固定して備え、該固定された多列の金属ワイヤ間の間隙を、前記流路とする燃料電池用セパレータ。 A separator for a fuel cell, which is used by being stacked on a fuel battery cell having electrodes attached to both sides of an electrolyte membrane, and forms a flow path for supplying a reactive gas to the electrode while being stacked with the fuel battery cell. And
With a plate,
A metal wire formed by wire drawing using a die is fixed in multiple rows on the cell facing surface of the plate on the side laminated with the fuel cell, and the fixed multi-row metal wires are provided. A fuel cell separator having a gap therebetween as the flow path.
前記プレートに対向する対向プレートを備え、該対向プレートと前記プレートとの間に、ダイスを用いた伸線加工を経て形成された金属ワイヤを多列に固定して備え、該固定された多列の金属ワイヤ間の間隙を、前記対向プレートと前記プレートとの間における冷却媒体の流路とする燃料電池用セパレータ。 The fuel cell separator according to claim 1 or 2,
An opposing plate facing the plate, and a metal wire formed by wire drawing using a die fixed between the opposing plate and the plate in multiple rows, the fixed multiple rows A separator for a fuel cell in which a gap between the metal wires is used as a cooling medium flow path between the opposing plate and the plate.
プレートを準備し、
該プレートの一方の面に、ダイスを用いた伸線加工により金属ワイヤを形成しつつ、該金属ワイヤを前記プレートの表面に導電性の接着剤を介して固定して前記金属ワイヤからなる凸条を形成し、該凸条を前記プレートの表面に多列に形成する燃料電池用セパレータの製造方法。 A method for producing a separator for a fuel cell, which is used by being laminated on a fuel cell provided with electrodes attached to both sides of an electrolyte membrane,
Prepare the plate,
While forming a metal wire on one surface of the plate by wire drawing using a die, the metal wire is fixed to the surface of the plate via a conductive adhesive, and is formed from the metal wire. And a method for producing a separator for a fuel cell, wherein the protrusions are formed in multiple rows on the surface of the plate.
前記燃料電池用セパレータは、請求項1ないし請求項3に記載の燃料電池用セパレータまたは請求項4に記載の方法で製造された燃料電池用セパレータである燃料電池。 A plurality of fuel battery cells each having an electrode bonded to both sides of the electrolyte membrane and a plurality of fuel cell separators that form a flow path for supplying a reaction gas to the electrode while being stacked with the fuel battery cells A fuel cell,
The fuel cell separator is a fuel cell separator according to claim 1 or 3 or a fuel cell separator manufactured by the method according to claim 4.
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-
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