JP2009110838A - Separator for fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は燃料電池用セパレータに関する。 The present invention relates to a fuel cell separator.
従来の燃料電池用セパレータは、ガス供給用流路とガス排出用流路とを分離して、ガス供給用流路の全ての反応ガスを、ガス拡散層や触媒層をくぐらせてからガス排出用流路へ排出していた。これにより、電極反応面に均一に反応ガスを分配でき、燃料電池の発電効率を向上させることができる(例えば、特許文献1参照)。
しかしながら、前述した従来の燃料電池用セパレータは、ガス供給用流路からガス排出用流路へと拡散するガスの流速が遅く、特に反応ガス濃度が薄くなる下流部において濃度分極が増大して発電効率が低下するという問題点があった。 However, the conventional fuel cell separator described above has a slow flow rate of the gas diffusing from the gas supply channel to the gas discharge channel, and the concentration polarization increases particularly in the downstream portion where the reaction gas concentration becomes thin, thereby generating power. There was a problem that efficiency decreased.
本発明はこのような従来の問題点に着目してなされたものであり、濃度分極を低減して燃料電池の発電効率を向上させることを目的とする。 The present invention has been made paying attention to such conventional problems, and an object of the present invention is to reduce the concentration polarization and improve the power generation efficiency of the fuel cell.
本発明は以下のような解決手段によって前記課題を解決する。なお、理解を容易にするために本発明の実施形態に対応する符号を付するが、これに限定されるものではない。 The present invention solves the above problems by the following means. In addition, in order to make an understanding easy, although the code | symbol corresponding to embodiment of this invention is attached | subjected, it is not limited to this.
本発明は、膜電極接合体(12)との当接面にガス流路(111)が形成される燃料電池用セパレータ(100)であって、前記ガス流路(111)を、ガス流れの上流側から下流側へと並んで設けられた複数の独立したガス流路領域(110)に形成し、前記各ガス流路領域(110)のガス流路(111)は、上流側から反応ガスが流れ込み、下流端が閉塞された複数の並列な上流流路(111a)と、その上流流路(111a)の間に上流端が閉塞されて形成され、反応ガスを下流側へ排出する複数の並列な下流流路(111b)と、を含み、前記上流流路(111a)を流れる反応ガスは、その上流流路(111a)に当接する前記膜電極接合体(12)のガス拡散層(17)を通ってその上流流路(111a)に隣接する前記下流流路(111b)へと流れ込むことを特徴とする。 The present invention provides a fuel cell separator (100) in which a gas flow path (111) is formed on a contact surface with a membrane electrode assembly (12), wherein the gas flow path (111) It is formed in a plurality of independent gas flow path regions (110) provided side by side from the upstream side to the downstream side, and the gas flow path (111) of each gas flow path region (110) is a reaction gas from the upstream side. And a plurality of parallel upstream flow paths (111a) whose downstream ends are closed, and a plurality of upstream flow paths (111a) whose upstream ends are closed and a reaction gas is discharged downstream. The reaction gas flowing in the upstream flow path (111a) includes a parallel downstream flow path (111b), and the gas diffusion layer (17) of the membrane electrode assembly (12) in contact with the upstream flow path (111a). ) Through the downstream adjacent to the upstream flow path (111a) Wherein the flow into the road (111b).
反応ガスが流れ込み、下流端が閉塞された複数の上流流路と、その上流流路の間に形成され、上流流路を流れた反応ガスがリブ下ガス拡散層を通って流れ込む下流流路と、を含むガス流路領域を、反応ガスの流れ方向の上流側から下流側に複数並んで設けた。そのたえめ、単一の長いガス流路で構成されたガス流路領域に比較し、各ガス流路領域の流路長が短くなる。これにより、下流側においても上流流路から下流流路へ流れ込む反応ガスの流速が速くなるので、反応ガス濃度が薄くなる下流部において濃度分極を低減して発電効率を向上させることができる。 A plurality of upstream flow paths in which the reaction gas flows and the downstream ends are blocked; and a downstream flow path formed between the upstream flow paths, and the reaction gas that has flowed through the upstream flow path flows through the gas diffusion layer under the ribs. , A plurality of gas flow path regions are provided side by side from the upstream side to the downstream side in the reaction gas flow direction. As a result, the channel length of each gas channel region is shorter than that of a gas channel region configured by a single long gas channel. As a result, the flow rate of the reaction gas flowing from the upstream flow path to the downstream flow path is increased also on the downstream side, so that concentration polarization can be reduced and power generation efficiency can be improved in the downstream portion where the reaction gas concentration decreases.
以下、図面等を参照して本発明の実施形態について説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
(第1実施形態)
燃料電池は電解質膜をアノード電極(燃料極)とカソード電極(酸化剤極)とで挟み、アノード電極に水素を含有するアノードガス(燃料ガス)、カソード電極に酸素を含有するカソードガス(酸化剤ガス)を供給することによって発電する。アノード電極及びカソード電極の両電極において進行する電極反応は以下の通りである。
(First embodiment)
In a fuel cell, an electrolyte membrane is sandwiched between an anode electrode (fuel electrode) and a cathode electrode (oxidant electrode), an anode gas containing hydrogen in the anode electrode (fuel gas), and a cathode gas containing oxygen in the cathode electrode (oxidant) Electricity is generated by supplying gas. The electrode reaction that proceeds in both the anode electrode and the cathode electrode is as follows.
アノード電極 : 2H2 →4H+ +4e- …(1)
カソード電極 : 4H+ +4e- +O2 →2H2O …(2)
この(1)(2)の電極反応によって燃料電池は1ボルト程度の起電力を生じる。
Anode electrode: 2H 2 → 4H + + 4e − (1)
Cathode electrode: 4H + + 4e − + O 2 → 2H 2 O (2)
The fuel cell generates an electromotive force of about 1 volt by the electrode reactions (1) and (2).
このような燃料電池を自動車用動力源として使用する場合には、要求される電力が大きいため、数百枚の燃料電池を積層した燃料電池スタックとして使用する。そして、燃料電池スタックにアノードガス及びカソードガスを供給する燃料電池システムを構成して、車両駆動用の電力を取り出す。 When such a fuel cell is used as a power source for automobiles, a large amount of electric power is required, so that it is used as a fuel cell stack in which several hundred fuel cells are stacked. Then, a fuel cell system that supplies anode gas and cathode gas to the fuel cell stack is configured, and electric power for driving the vehicle is taken out.
図1は、本発明の第1実施形態による燃料電池システム1の概略構成図である。 FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a fuel cell system 1 according to a first embodiment of the present invention.
燃料電池システム1は、燃料電池スタック10と、アノードガス経路20と、カソードガス経路30とを備える。
The fuel cell system 1 includes a
燃料電池スタック10は、アノード電極とカソード電極とを備えた膜電極接合体(Membrane Electrode Assembly;以下「MEA」という)の両面にセパレータを配置させた単セルを、複数積層して構成される。単セルの詳細については、図2を参照して後述する。
The
アノードガス経路20は、燃料電池スタック10の上流側に、燃料タンク21と調圧弁22とを備え、燃料電池スタック10の下流側に、循環ポンプ23とパージ弁24とを備える。
The
燃料タンク21は、燃料電池スタック10に供給するアノードガスを高圧状態で貯蔵する。
The
調圧弁22は、燃料タンク11の圧力を適当な圧力に減圧調整する。
The pressure regulating valve 22 reduces the pressure of the
循環ポンプ23は、アノードガスを循環させる。循環ポンプ23の下流には循環流路25が設けられて、燃料電池スタック10から排出された未反応の反応ガスを再度燃料電池スタック10に供給する。
The
パージ弁24は、アノードガス経路中に存在する窒素などの不純ガスや液水を系外へパージする。
The
カソードガス経路30は、燃料電池スタック10の上流側に、コンプレッサ31を備え、燃料電池スタックの下流側に、圧力調整弁32を備える。
The
コンプレッサ31は、燃料電池スタック10に空気(カソードガス)を圧送して供給する。
The
圧力調整弁32は、燃料電池スタック10に供給する空気(カソードガス)の供給圧を調整する。
The pressure adjustment valve 32 adjusts the supply pressure of air (cathode gas) supplied to the
以下では、図2を参照して、燃料電池スタック10を構成する単セル11について詳しく説明する。
Below, with reference to FIG. 2, the
図2は、単セル11の断面の一部を示す図である。
FIG. 2 is a diagram showing a part of a cross section of the
単セル11は、膜電極接合体(Membrane Electrode Assembly;以下「MEA」という)12の表裏両面にそれぞれセパレータ100が配置されて構成される。
The
MEA12は、固体高分子電解質膜13と、アノード電極14と、カソード電極15とを備える。MEA12は、固体高分子電解質膜13の一方の面にアノード電極14を有し、他方の面にカソード電極15を有する。
The
固体高分子電解質膜13は、フッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜である。固体高分子電解質膜13は、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。
The solid
アノード電極14は、触媒層16とガス拡散層17とを備える。
The
触媒層16は、固体高分子電解質膜13と接する。触媒層16は、白金又は白金等が担持されたカーボンブラック粒子から形成される。
The
ガス拡散層17は、触媒層16の外側(電解質膜13の反対側)に設けられ、セパレータ100と接する。ガス拡散層17は、充分なガス拡散性および導電性を有する部材によって形成され、例えば、炭素繊維からなる糸で織成したカーボンクロスで形成される。なお、以下では特に、図3を参照して後述するセパレータ100のリブ(隔壁)112に直接接するガス拡散層17を「リブ下ガス拡散層17a」という。これに対して、同じく図3を参照して後述するセパレータ100のガス流路111に接するガス拡散層17を「流路下ガス拡散層17b」という。
The
カソード電極15もアノード電極14と同様に、触媒層16とガス拡散層17とを備える。
Similarly to the
セパレータ100は、ガス拡散層17と接する。セパレータ100は、ガス拡散層17と接する側にアノード電極14及びカソード電極113に反応ガスを供給するための複数のガス流路111を有する。ガス流路111は、ガス拡散層17と直接接するリブ112の間に形成される流路である。なお、セパレータ100は、ガス流路111を流れるアノードガスが、隣接するガス流路111に透過しないように緻密性カーボン材等で構成される。カソードセパレータも同様に緻密性カーボン材等で構成される。
The
次に、本発明の理解を容易にするため、本実施形態によるセパレータ100の説明をする前に、まず従来例によるセパレータ200とその問題点について図9から図11を参照して説明する。
Next, in order to facilitate understanding of the present invention, before describing the
図9は、従来例によるセパレータ200の平面図である。図10は、従来例によるセパレータ200を用いた単セル11の断面の一部を示す図である。
FIG. 9 is a plan view of a
図9に示すように、従来例によるセパレータ200は、ガス流路204の端部を交互に閉塞させていた。このように、従来例によるセパレータ200は、ガス流路204を、リブ211によってガス入口孔202aと連通するガス供給流路204aと、ガス出口孔202bと連通するガス排出流路204bとに分離していた。
As shown in FIG. 9, the
これにより、図10に示すように、リブ下ガス拡散層17aを強制的に通過させて、反応ガスをガス供給流路204aからガス排出流路204bへと拡散させていた。これにより、反応ガス濃度が低下しがちなリブ下の触媒層にも強制的に反応ガスを供給して、反応ガス濃度の低下による濃度分極の発生を抑制していた。なお、図10の図中の矢印は、リブ下ガス拡散層17aを通って、ガス供給流路204aからガス排出流路204bへと拡散する反応ガスの流れを示す矢印である。
Thus, as shown in FIG. 10, the reaction gas is diffused from the
しかしながら、リブ下ガス拡散層17aを通って、ガス供給流路204aからガス排出流路204bへと拡散する反応ガスの流速(流量)については全く考慮されていなかった。
However, the flow rate (flow rate) of the reaction gas that diffuses from the gas
図11は、リブ下ガス拡散層17aを通って、ガス供給流路204aからガス排出流路204bへとガス流れ方向と鉛直方向に流れて拡散する反応ガスの流量と、所定セル電圧における電流密度との関係を示した図である。なお、ここでいう反応ガスの流量は、単位時間当りに単位長さのリブ下ガス拡散層17aを通過するガス流量であり、ガス流量が多いほどガス供給流路204aからガス排出流路204bへと拡散する反応ガスの流速も速くなる。
FIG. 11 shows the flow rate of the reaction gas diffused in the gas flow direction and the vertical direction from the
図11に実線で示すように、リブ下ガス拡散層17aを通って、ガス供給流路204aからガス排出流路204bへと拡散する反応ガスの濃度が高いときは、反応ガスの流量が少なくても電流密度の低下は少ない。
As shown by a solid line in FIG. 11, when the concentration of the reaction gas that diffuses from the
しかしながら、図11に破線で示すように、リブ下ガス拡散層17aを通って、ガス供給流路204aからガス排出流路204bへと拡散する反応ガスの濃度が低いときは、反応ガスの流量が少ないと電流密度が極端に低下する。
However, as shown by a broken line in FIG. 11, when the concentration of the reaction gas that diffuses from the
このように、発明者らは、リブ下ガス拡散層17aを通ってガス供給流路204aからガス排出流路204bへと拡散する反応ガスの濃度が低いときは、拡散する反応ガスの流量が少ないと、顕著に濃度分極が増大して燃料電池の性能が低下することを見出した。
As described above, the inventors have a low flow rate of the diffusing reaction gas when the concentration of the reaction gas diffusing from the
ガス供給流路204aを流れる反応ガスは、下流に行くに従って電極反応によって消費されて流量が低下し、濃度も低下していく。そのため、従来例によるセパレータ200では、反応ガスの流量及び濃度の低くなる下流部で濃度分極が増大するという問題点があった。
The reaction gas flowing through the gas
そこで、本実施形態によるセパレータ100では、ガス流路を第1流路部から第3流路部までの3つの流路に分割した。これにより、従来例によるセパレータ200よりも、リブ下ガス拡散層を通過する反応ガスの流速を速くした。以下では、図3を参照して本実施形態によるセパレータ100について詳しく説明する。
Therefore, in the
図3は、本実施形態によるセパレータ100を電極側から見た平面図である。
FIG. 3 is a plan view of the
図3に示すように、セパレータ100の一端(図中左側)には、上から順に、第2反応ガス(アノードガス)出口孔103b、冷却水出口孔101b、第1反応ガス(カソードガス)入口孔102aが形成される。一方、セパレータ100の他端(図中右側)には、上から順に、第1反応ガス出口孔102b、冷却水入口孔101a、第2反応ガス入口孔103aが形成される。
As shown in FIG. 3, at one end (left side in the figure) of the
セパレータ100の外周部と、冷却水入口孔101a及び出口孔101bの周辺部と、第2反応ガス入口孔103a及び出口孔103bの周辺部とには、帯状のシール材104が設けられる。シール材104は、反応ガスの外部へのリークや、反応ガスと冷却水とが混合することを防止する。
A strip-shaped
セパレータ100の表面には、複数の溝状のガス流路111が形成される独立したガス流路領域110が、ガス流れ方向に沿って、上流側から下流側へと3箇所形成される。以下では、この3箇所に形成された各ガス流路領域110を特に区別する必要があるときは、上流に形成されたものから順に第1ガス流路領域110a、第2ガス流路領域110b、第3ガス流路領域110cとする。
Three independent gas
各ガス流路領域110に形成されるガス流路111は、ガス流れ方向と平行な複数のリブ112の間に形成される流路である。このリブ112は、ガス流路111の底面からMEA側へ突出しており、MEA12と接している。
The
また、ガス流路111は、セパレータ100の幅方向に形成されて下流端を閉塞するリブ113と、同様に上流端を閉塞するリブ114とによって、下流端が閉塞されたガス供給流路111aと、上流端が閉塞されたガス排出流路111bとに分離される。ガス供給流路111aとガス排出流路111bとはそれぞれ交互に並列的に配置される。リブ113,114もリブ112と同様にガス流路111の底面からMEA側へ突出しており、MEA12と接している。
The
第1反応ガス入口孔102aと、第1ガス流路領域110aとの間には、ガス拡散領域120が形成される。ガス拡散領域120は、第1反応ガス入口孔102aから供給される反応ガスを拡散させて、反応ガスを第1ガス流路領域110aの各ガス供給流路111aへと均一に分配する。
A
各ガス流路領域110の間には、ガス合流部130が形成される。ガス合流部130は、上流側のガス流路領域110のガス排出流路111bを流れてきた反応ガスを合流させ、下流側のガス流路領域110のガス供給流路111aへ供給する。
A
第3ガス流路領域110cと、第1反応ガス出口孔102bとの間には、ガス収束領域140が形成される。ガス収束領域140は、第3ガス流路領域110cのガス排出流路111bを流れてきた反応ガスを収束させて、反応ガスを第1反応ガス出口孔102bから排出する。
A
各ガス流路領域110は、上流のものほどガス流れ方向の長さ(=リブ112の長さ)Wが長くなるように形成される。つまり、第1ガス流路領域110a、第2ガス流路領域110b及び第3ガス流路領域110cのガス流れ方向のガス流れ方向の長さをそれぞれW1、W2、W3とすると、W1>W2>W3となるように形成される。
Each gas
セパレータ100は幅方向が一定のセパレータであり、また各ガス流路領域110の流路本数は同じなので、幅方向に形成されたリブ113とリブ114とを足し合わせた長さは、全て等しい。したがって、各ガス流路領域110における、ガス流れ方向に形成されたリブ112と、幅方向に形成されたリブ113,114とを足し合わせた長さ(以下「リブの総延長」という)Lは、ガス流れ方向の長さWが長いほど長くなる。つまり、第1ガス流路領域110a、第2ガス流路領域110b及び第3ガス流路領域110cの各ガス流路領域のリブの総延長をそれぞれL1、L2、L3とするとL1>L2>L3となる。
Since the
続いて、図2及び図4を参照してセパレータ100の作用及び効果について説明する。
Next, operations and effects of the
図4(A)は、セパレータ100のガス流れの様子を示した図である。図4(B)は、セパレータ100のリブ112のリブ下ガス拡散層17aを通って、ガス供給流路111aからガス排出流路111bへとガス流れ方向と鉛直方向に流れて拡散する反応ガスの流速を示した図である。
FIG. 4A is a diagram illustrating a gas flow state of the
図4(A)に示すように、第1反応ガス入口孔102aから供給された反応ガスは、ガス拡散領域120で拡散して、第1ガス流路領域110aの各ガス供給流路111aに流れ込む。反応ガスは、第1ガス流路領域110aのガス供給流路111aを下流に向けて流れながら、そのガス供給流路111aに面している流路下ガス拡散層17bへと拡散する。ガス供給流路111aの下流端は、リブ113によって閉塞されている。したがって、流路下ガス拡散層17bへと拡散して電極反応に使用されなかった反応ガスは、リブ下ガス拡散層17aを通って隣接するガス排出流路111bへと拡散する。
As shown in FIG. 4A, the reaction gas supplied from the first reaction
第1ガス流路領域110aのガス排出流路111bへと拡散した反応ガスは、ガス排出流路111bを下流に向けて流れながら、その一部が流路下ガス拡散層17bへと拡散して電極反応に使用される。そして、残りの反応ガスが第1ガス流路領域110aと第2ガス流路領域110bとの間に形成されるガス合流領域130へと流れ込む。
The reaction gas diffused to the gas
第1ガス流路領域110aと第2ガス流路領域110bとの間に形成されるガス合流領域130へと流れ込んだ反応ガスは、第2ガス流路領域110bのガス供給流路111aに流れ込む。この反応ガスは、前述した第1ガス流路領域110aのガス供給流路111aに流れ込んだ反応ガスと同様に、リブ下ガス拡散層17aを通って、第2ガス流路領域110bのガス排出流路111bへと拡散する。その後、第2ガス流路領域110bと第3ガス流路領域110cとの間に形成されるガス合流領域130へと流れ込む。そして、第3ガス流路領域のガス供給流路111a→リブ下ガス拡散層17a→ガス排出流路111b→ガス収束領域140と流れて第1反応ガス出口孔102bから排出される。
The reactive gas that has flowed into the
ここで、リブ下ガス拡散層17aを通過する反応ガスの流速は、反応ガスの流路となるリブ下ガス拡散層17aの断面積が小さくなるほど速くなる。なお、リブ下ガス拡散層17aの断面積とは、ガス流れ方向に形成されたリブ112の長さ(=ガス流路領域の長さW)に、ガス拡散層の厚さを乗じたものである。本実施形態において、ガス拡散層17の厚さはガス流れ方向で一定である。したがって、リブ112の長さを短くするほど、リブ下ガス拡散層17aの断面積が小さくなり、リブ下ガス拡散層17aを通過する反応ガスの流速は速くなる。
Here, the flow rate of the reaction gas passing through the under-rib
そのため図4(B)に示すように、リブ112の長さが最も短い第3流路領域のガス拡散層17aを通過する反応ガスの流速が、最も速くなる。一方で、リブ112の長さが最も長い第1流路領域のガス拡散層17aを通過する反応ガスの流速が、最も遅くなる。
Therefore, as shown in FIG. 4B, the flow velocity of the reaction gas passing through the
このように、本実施形態によるセパレータ100によれば、電極反応によって消費されて流量が低下し、濃度も低下する下流部のリブ下ガス拡散層を通過する反応ガスの流速を、上流部の流速よりも速くすることができる。したがって、下流部で生じやすい反応ガス濃度の低下による濃度分極の発生を抑制することができる。
Thus, according to the
なお、リブ112の長さは、各ガス流路領域110のガス流路111を流れる反応ガスの濃度に応じて、所定の電流密度を得るために必要なリブ下ガス拡散層17aを通過する反応ガスの流量を予め求めておき、以下の式によって定める。
In addition, the length of the
以上説明した本実施形態によれば、複数の溝状のガス流路111が形成される独立したガス流路領域110を、ガス流れ方向に沿って、上流側から下流側へと複数に分割して形成した。
According to the present embodiment described above, the independent gas
これにより、ガス供給量に応じて各ガス流路領域のガス流れ方向の長さを調節することで、リブ下ガス拡散層を通過する反応ガスの流速を調節することができる。 Thereby, the flow velocity of the reaction gas passing through the sub-rib gas diffusion layer can be adjusted by adjusting the length of each gas flow channel region in the gas flow direction according to the gas supply amount.
すなわち、第1反応ガス入口孔102aから供給される反応ガス量に応じて、第1ガス流路領域110aのリブ112の長さを調節し、合流部130に流れ込む反応ガス量に応じて、第2、第3ガス流路領域110b,110cのリブ112の長さを調節する。これにより、下流部のリブ下ガス拡散層17aを通過する反応ガスの流速の低下を抑制できるので、反応ガス濃度の低下による濃度分極の発生を抑制することができる。したがって、電極反応面の電流密度を上流部から下流部にかけて均一にすることができ、単セル11の出力の向上が図れる。
That is, the length of the
また、本実施形態では特に、下流に形成されたガス流路領域のリブ112ほど、その長さが短くなるようにしたので、特に反応ガス濃度が低下しがちな、下流部のリブ下の触媒層にも十分な反応ガスを供給できる。したがって、反応ガス濃度の低下による濃度分極の発生をより抑制することができる。
Further, in the present embodiment, the length of the
また、リブ下ガス拡散層を通過する反応ガスの流速を速くすることで、発電によって生成された凝縮水をガス拡散層内から速やかに排出することができるので、フラッディングを防止することができる。 Moreover, since the condensed water produced | generated by electric power generation can be rapidly discharged | emitted from the inside of a gas diffusion layer by making the flow rate of the reactive gas which passes a gas diffusion layer under a rib fast, flooding can be prevented.
さらに、反応ガス濃度に応じてガス流速を定めているので、反応ガス濃度の高い部分は流速を小さく(=圧力損失を小さく、濃度分極も小さい)できる。一方で、反応ガス濃度の低い部分は流速を大きく(=圧力損失は大きくなるが、濃度分極を大幅に低減できる)できる。これにより、過大なコンプレッサ31の消費電力を上げることなく発電効率の向上が図れる。
Furthermore, since the gas flow rate is determined according to the reaction gas concentration, the flow rate can be reduced (= pressure loss is reduced and concentration polarization is also small) in a portion where the reaction gas concentration is high. On the other hand, the flow rate can be increased (= pressure loss is increased, but concentration polarization can be greatly reduced) in the portion where the reaction gas concentration is low. As a result, the power generation efficiency can be improved without increasing the power consumption of the
(第2実施形態)
次に、図5を参照して、本発明の第2実施形態によるセパレータ100について説明する。本実施形態は、各ガス流路領域110a,110b,110cのガス流れ方向の長さW1,W2,W3をすべて同じにし、下流に形成されたガス流路領域ほどガス流路111の本数を減少させた点で第1実施形態と相違する。以下、その相違点を中心に説明する。なお、以下に示す各実施形態では前述した第1実施形態と同様の機能を果たす部分には、同一の符号を用いて重複する説明を適宜省略する。
(Second Embodiment)
Next, a
図5は、本実施形態によるセパレータ100を電極側から見た平面図である。
FIG. 5 is a plan view of the
図5に示すように、本実施形態によるセパレータ100は、ガス流路111の流路幅は同じだが、下流に形成されるガス流路領域のリブ112の幅が、上流に形成されるガス流路領域のリブ112よりも広い。これにより、下流のガス流路領域ほど、ガス流路111の本数nが少なくなるようにした。つまり、第1ガス流路領域110aよりも下流にある第2ガス流路領域110bのガス流路111の本数n2が、第1ガス流路領域110aのガス流路111の本数n1よりも少なくなるようにした。そして、第2ガス流路領域110bよりも下流にある第3ガス流路領域110cのガス流路111の本数n3が、第2ガス流路領域110bのガス流路111の本数n2よりも少なくなるようにした。
As shown in FIG. 5, in the
セパレータ100は、各ガス流路領域110a,110b,110cのガス流れ方向の長さW1,W2,W3が略同一となるように形成されているので、ガス流路104の本数nが少ないほどリブの総延長Lも短くなる。したがって、各ガス流路領域110a,110b,110cリブ総延長L1、L2,L3を比較すると、ガス流路111の本数nがn1>n2>n3の関係にあるので、L1>L2>L3となる。
Since the
これにより、第1実施形態と同様に、下流部に形成されたガス流路領域110cのリブ下ガス拡散層17aを通過する反応ガスの流速を、上流部に形成されたガス流路領域110aのリブ下ガス拡散層17aを通過する反応ガスの流速よりも速くできる。よって、本実施形態においても、第1実施形態と同様の効果を得ることができる。
As a result, as in the first embodiment, the flow rate of the reaction gas passing through the under-rib
(第3実施形態)
次に、図6を参照して、本発明の第3実施形態によるセパレータ100について説明する。本実施形態は、セパレータ100の形状を変更するとともに、各ガス流路領域110a,110b,110cのガス流れ方向の長さW1,W2,W3をすべて同じにした点で第1実施形態と相違する。以下、その相違点を中心に説明する。
(Third embodiment)
Next, a
図6は、本実施形態によるセパレータ100を電極側から見た平面図である。
FIG. 6 is a plan view of the
図6に示すように、セパレータ100は、第1反応ガス入口孔102aから第1反応ガス出口孔102bにかけて、その全幅が徐々に狭くなるように形成される。また、各ガス流路領域110a,110b,110cのガス流れ方向の長さW1,W2,W3が略同一となるように形成される。
As shown in FIG. 6, the
そうすると、各ガス流路領域110a,110b,110cのガス流路111の流路幅及びリブ112の幅は略同一となるように形成されているので、下流のガス流路領域ほど、ガス流路111の本数nが少なくなる。したがって、各ガス流路領域110a,110b,110cのリブ総延長L1、L2,L3を比較すると、ガス流路111の本数nがn1>n2>n3の関係にあるので、L1>L2>L3となる。
Then, since the flow channel width of the
これにより、第1実施形態と同様に、下流部に形成されたガス流路領域110cのリブ下ガス拡散層17aを通過する反応ガスの流速を、上流部に形成されたガス流路領域110aのリブ下ガス拡散層17aを通過する反応ガスの流速よりも速くできる。よって、本実施形態においても、第1実施形態と同様の効果を得ることができる。
As a result, as in the first embodiment, the flow rate of the reaction gas passing through the under-rib
(第4実施形態)
次に、図7を参照して、本発明の第4実施形態によるセパレータ100について説明する。本実施形態は、ガス流路104が途中で折り返されている点で第1実施形態と相違する。以下、その相違点を中心に説明する。
(Fourth embodiment)
Next, with reference to FIG. 7, the
図7は、本実施形態によるセパレータ100を電極側から見た平面図である。
FIG. 7 is a plan view of the
図7に示すように、セパレータ100の一端(図中左側)には、上から順に、冷却水出口孔101b、第1反応ガス入口孔102a、第1反応ガス出口孔102bが形成される。一方、セパレータ100の他端(図中右側)には、上から順に、冷却水入口孔101a、第2反応ガス入口孔103a、第2反応ガス出口孔103bが形成される。
As shown in FIG. 7, at one end (left side in the figure) of the
このように、本実施形態によるセパレータ100は、第1反応ガス入口孔102aと出口孔102bとが、セパレータ100の同じ側の端部に形成される。そして、第1反応ガス入口孔102aと直列に、図中左から右へとガス拡散領域120、第1ガス流路領域110a、ガス合流部130が形成される。また、このガス合流部130で折り返すようにして図中右から左へと、第2ガス流路領域110b及びガス収束領域140が、第1反応ガス出口孔102bと直列に形成される。第1ガス流路領域110aと、第2ガス流路領域110bとは、ガス流路111と平行に延びるシール材104aによって図中上下に区画されている。
As described above, in the
これにより、第1反応ガス入口孔102aから供給され、図中左から右へと第1ガス流路領域110aを流れた反応ガスが、ガス合流部130でUターンして、今度は反対向きに第2ガス流路領域110bを流れて第1反応ガス出口孔102bから排出される。
As a result, the reaction gas supplied from the first reaction
ここで、ガス合流部130より上流側の第1ガス流路領域110aのガス流路111の本数n1は、下流側の第2ガス流路領域110bのガス流路111の本数n2よりも多くなるように形成されている。すなわち、第1ガス流路領域111aの幅が、第2ガス流路領域110bの幅よりも広くなるように形成されている。第1ガス流路領域110a及び第2ガス流路領域110bのガス流れ方向の長さ(=リブ112の長さ)である流路長は同じなので、リブの総延長Lを比較すると、流路本数111が多い第1ガス流路領域110aのリブの総延長L1のほうが、第2ガス流路領域110bのリブの総延長L2より長くなる。すなわち、L1>L2となる。
Here, the number n1 of the
したがって、第1実施形態と同様に、下流部に形成されたガス流路領域110cのリブ下ガス拡散層17aを通過する反応ガスの流速を、上流部に形成されたガス流路領域110aのリブ下ガス拡散層17aを通過する反応ガスの流速よりも速くできる。よって、本実施形態においても、第1実施形態と同様の効果を得ることができる。
Therefore, as in the first embodiment, the flow rate of the reactive gas passing through the
なお、本発明は上記の実施形態に限定されずに、その技術的な思想の範囲内において種々の変更がなしうることは明白である。 Note that the present invention is not limited to the above-described embodiment, and it is obvious that various modifications can be made within the scope of the technical idea.
例えば、第1実施形態では、ガス流路領域110を3箇所形成したが、少なくとも2つあれば良い。
For example, in the first embodiment, three gas
また、第4実施形態では、第2ガス流路領域110bのすぐ後ろにガス収束領域140を形成したが、図8に示すように、第2ガス流路領域110bの下流にガス合流部130と第3ガス拡散領域110cを形成してからガス収束領域140を形成しても良い。
In the fourth embodiment, the
11 燃料電池
12 膜電極接合体
100 セパレータ
110 ガス流路領域
111 ガス流路
111a ガス供給流路(上流流路)
111b ガス排出流路(下流流路)
112 リブ(第1隔壁)
113 リブ(第2隔壁)
114 リブ(第3隔壁)
DESCRIPTION OF
111b Gas discharge channel (downstream channel)
112 rib (first partition)
113 rib (second partition)
114 rib (third partition)
Claims (6)
前記ガス流路を、ガス流れの上流側から下流側へと並んで設けられた複数の独立したガス流路領域に形成し、
前記各ガス流路領域のガス流路は、
上流側から反応ガスが流れ込み、下流端が閉塞された複数の並列な上流流路と、
その上流流路の間に上流端が閉塞されて形成され、反応ガスを下流側へ排出する複数の並列な下流流路と、を含み、
前記上流流路を流れる反応ガスは、その上流流路に当接する前記膜電極接合体のガス拡散層を通ってその上流流路から隣接する前記下流流路へと流れ込む
ことを特徴とする燃料電池用セパレータ。 A fuel cell separator in which a gas flow path is formed on a contact surface with a membrane electrode assembly,
The gas flow path is formed in a plurality of independent gas flow path regions provided side by side from the upstream side to the downstream side of the gas flow,
The gas channel of each gas channel region is
A plurality of parallel upstream flow paths in which the reaction gas flows from the upstream side and the downstream end is blocked;
A plurality of parallel downstream flow paths formed by closing the upstream end between the upstream flow paths and discharging the reaction gas downstream,
The reaction gas flowing in the upstream flow path flows from the upstream flow path to the adjacent downstream flow path through the gas diffusion layer of the membrane electrode assembly in contact with the upstream flow path. Separator for use.
前記上流流路と前記下流流路とを仕切るガス流れ方向と平行に形成された第1隔壁と、
前記上流流路の下流端を閉塞する第2隔壁と、
前記下流流路の上流端を閉塞する第3隔壁と、を含み、
前記第1隔壁、第2隔壁及び第3隔壁の長さを足し合わせた隔壁の総延長を、下流側に形成されたガス流路領域のものほど短くした
ことを特徴とする請求項1に記載の燃料電池用セパレータ。 Each gas flow channel region is
A first partition formed in parallel with a gas flow direction separating the upstream flow path and the downstream flow path;
A second partition wall closing the downstream end of the upstream flow path;
A third partition wall closing the upstream end of the downstream flow path,
2. The total extension of the partition walls obtained by adding the lengths of the first partition wall, the second partition wall, and the third partition wall is shorter for the gas flow channel region formed on the downstream side. Fuel cell separator.
ことを特徴とする請求項2に記載の燃料電池用セパレータ。 The length of the upstream flow path and the downstream flow path is made shorter for the gas flow path area formed on the downstream side, and the length of the gas flow path area for which the total extension of the partition wall is formed on the downstream side. The fuel cell separator according to claim 2, wherein the fuel cell separator is shortened.
ことを特徴とする請求項2又は3に記載の燃料電池用セパレータ。 The number of the upstream flow channel and the downstream flow channel is decreased as the gas flow channel region formed on the downstream side, and the total extension of the partition wall is shorter as the gas flow channel region formed on the downstream side. The fuel cell separator according to claim 2 or 3, wherein the fuel cell separator is configured as follows.
ことを特徴とする請求項4に記載の燃料電池用セパレータ。 The width of the first partition wall is made wider for the gas flow channel region formed on the downstream side, and the number of the upstream flow channel and the downstream flow channel in the gas flow channel region formed on the downstream side is reduced. The fuel cell separator according to claim 4, wherein the separator is a fuel cell separator.
ことを特徴とする請求項4又は5に記載の燃料電池用セパレータ。 The total width of the gas flow path area is narrower as that of the gas flow path area formed on the downstream side, and the number of upstream and downstream flow paths in the gas flow path area formed on the downstream side is reduced. The fuel cell separator according to claim 4 or 5.
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