JP2009230969A - Separator structure for fuel cell, and fuel cell - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a separator structure for a fuel cell capable of preventing drying and excessive humidification of an electrolyte membrane, and the fuel cell. <P>SOLUTION: The structure of the separator for the fuel cell is provided which is abutted on a gas diffusion layer 222 of the fuel cell and supplies a reaction gas to the gas diffusion layer 222. The structure has a gas supply amount adjusting part 13 capable of adjusting a supply gas amount to the gas diffusion layer since the rate of change of pressure loss against humidity change of the reaction gas is different from the rate of change of pressure loss of the gas diffusion layer. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

この発明は、燃料電池用セパレータ構造及びそのセパレータ構造を有する燃料電池に関する。   The present invention relates to a fuel cell separator structure and a fuel cell having the separator structure.

従来の燃料電池は、集電体セパレータにガス供給流路とガス排出流路を分離して形成し、ガス供給流路のすべてのガスがガス拡散層又は電極触媒層をくぐり抜けてガス排出流路へ排出されるように構成したものが知られている(特許文献1)。   The conventional fuel cell is formed by separating the gas supply flow path and the gas discharge flow path from the current collector separator, and all the gas in the gas supply flow path passes through the gas diffusion layer or the electrode catalyst layer. A device configured to be discharged into the water is known (Patent Document 1).

また、ガス流路の上流と下流とを隔てるリブを多孔質構造にして、全流量を対流させずに一部をリブで透過させるように構成したものが知られている(特許文献２)。
特開平１１−１６５９１号公報 特開２００５−３２２５９５号公報 Further, there is known a structure in which a rib that separates the upstream and downstream of the gas flow path has a porous structure, and a part of the rib is permeated through the rib without convection (Patent Document 2).
JP-A-11-16591 JP 2005-322595 A

しかしながら、特許文献１においては、触媒層の近傍を反応ガスが対流するので、運転条件によってはスタック温度が高温になってスタックに供給する反応ガスの相対湿度が低下する場合がある。たとえば低速登坂走行中にそのような状態になることがある。すると触媒近傍を対流させない場合に比べて膜電極構造体が乾燥し、プロトン伝導性が低下する、という問題がある。   However, in Patent Document 1, since the reaction gas convects in the vicinity of the catalyst layer, the relative humidity of the reaction gas supplied to the stack may decrease due to the stack temperature becoming high depending on the operating conditions. For example, such a state may occur during low-speed climbing. Then, there is a problem that the membrane electrode structure is dried and proton conductivity is lowered as compared with the case where the vicinity of the catalyst is not convected.

また、特許文献２においては、乾燥していない領域や運転条件では、実質的にガス拡散層の反応ガス対流流量が減ってしまうので、反応ガス濃度分極が生じてしまって十分な性能を発揮できない、という問題がある。   Further, in Patent Document 2, since the reaction gas convection flow rate in the gas diffusion layer is substantially reduced in an undried region or operating conditions, reaction gas concentration polarization occurs and sufficient performance cannot be exhibited. There is a problem.

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、電解質膜の乾燥や過加湿を防止できる燃料電池用セパレータ構造及び燃料電池を提供す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 provide a fuel cell separator structure and a fuel cell that can prevent the electrolyte membrane from being dried and excessively humidified.

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、燃料電池のガス拡散層(２２２)に当接し、そのガス拡散層(２２２)へ反応ガスを供給する燃料電池用セパレータの構造であって、前記反応ガスの湿度変化に対する圧力損失変化率が、前記ガス拡散層の圧力損失変化率と相違することで、ガス拡散層への供給ガス量を調整可能なガス供給量調整部(１３，１３０)を有する、ことを特徴とする。   The present invention is a structure of a fuel cell separator that contacts a gas diffusion layer (222) of a fuel cell and supplies a reaction gas to the gas diffusion layer (222), and changes in pressure loss with respect to humidity change of the reaction gas It is characterized by having a gas supply amount adjusting unit (13, 130) capable of adjusting the amount of gas supplied to the gas diffusion layer by the rate being different from the pressure loss change rate of the gas diffusion layer.

本発明によれば、反応ガスの湿度変化に対する圧力損失変化率が、ガス拡散層の圧力損失変化率と相違することで、ガス拡散層への供給ガス量を調整することができるので、反応ガスの湿潤度に応じてガス拡散層を良好な湿潤度に保つことができるようになり、電解質膜の乾燥や過加湿を防止できるのである。   According to the present invention, since the pressure loss change rate with respect to the humidity change of the reaction gas is different from the pressure loss change rate of the gas diffusion layer, the amount of gas supplied to the gas diffusion layer can be adjusted. Accordingly, the gas diffusion layer can be kept at a good wetness according to the wetness of the electrolyte, and the electrolyte membrane can be prevented from being dried or excessively humidified.

以下では図面等を参照して本発明を実施するための最良の形態について説明する。   Hereinafter, the best mode for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings.

まずはじめに本発明の理解を容易にするために、図７を参照して一般的なインターデジテイテッド型セパレータについて説明する。なお図７(Ａ)は一般的なインターデジテイテッド型セパレータの平面図、図７(Ｂ)はインターデジテイテッド型セパレータを使用する単セルの、図７(Ａ)のＢ−Ｂ断面に相当する断面図である。   First, in order to facilitate understanding of the present invention, a general interdigitated separator will be described with reference to FIG. 7A is a plan view of a general interdigitated separator, and FIG. 7B is a cross-sectional view taken along the line BB in FIG. 7A of a single cell using the interdigitated separator. FIG.

インターデジテイテッド型のセパレータ１０は、反応ガス供給流路１１と、反応ガス排出流路１２と、を含む。   The interdigitated separator 10 includes a reaction gas supply channel 11 and a reaction gas discharge channel 12.

反応ガス供給流路１１は、ガス流入側が開放しガス流出側が閉塞する。反応ガス排出流路１２は、ガス流入側が閉塞されガス流出側が開放される。反応ガス供給流路１１と反応ガス排出流路１２とは、リブ１３を介して交互に並ぶ。反応ガス供給口１４から供給された反応ガスは、反応ガス供給流路１１を流れる。また反応ガス排出流路１２を流れた反応ガスは、反応ガス排出口１５から排出される。なおセパレータ１０の周囲にはシールが配置される。図７(Ａ)ではこのシールを破線で示した。   The reaction gas supply channel 11 is opened on the gas inflow side and closed on the gas outflow side. The reaction gas discharge channel 12 is closed on the gas inflow side and opened on the gas outflow side. The reaction gas supply channel 11 and the reaction gas discharge channel 12 are alternately arranged with ribs 13 interposed therebetween. The reaction gas supplied from the reaction gas supply port 14 flows through the reaction gas supply channel 11. The reaction gas flowing through the reaction gas discharge channel 12 is discharged from the reaction gas discharge port 15. A seal is disposed around the separator 10. In FIG. 7A, this seal is indicated by a broken line.

図７(Ｂ)に示すように燃料電池の単セル１は、膜電極接合体(Membrane Electrode Assembly；以下「ＭＥＡ」という)２０の表裏両面にアノードセパレータ１０ａ及びカソードセパレータ１０ｂが配置された構成である。   As shown in FIG. 7B, a single cell 1 of a fuel cell has a configuration in which an anode separator 10a and a cathode separator 10b are arranged on both front and back surfaces of a membrane electrode assembly (hereinafter referred to as “MEA”) 20. is there.

ＭＥＡ２０は、電解質膜２１と、アノード電極２２ａと、カソード電極２２ｂと、を含む。   The MEA 20 includes an electrolyte membrane 21, an anode electrode 22a, and a cathode electrode 22b.

電解質膜２１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。電解質膜２１は、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。   The electrolyte membrane 21 is a proton conductive ion exchange membrane formed of a fluorine resin. The electrolyte membrane 21 exhibits good electrical conductivity in a wet state.

アノード電極２２ａは電解質膜２１の片面(図７(Ｂ)の左側)に設けられ、カソード電極２２ｂは反対面(図７(Ｂ)の右側)に設けられる。アノード電極２２ａ及びカソード電極２２ｂは、触媒層２２１と、ガス拡散層(Gas Diffusion Layer；ＧＤＬ)２２２と、で構成される。触媒層２２１は、たとえば白金が担持されたカーボンブラック粒子で形成される。ガス拡散層２２２は、充分なガス拡散性及び導電性を有する部材、たとえばカーボン繊維で形成される。   The anode electrode 22a is provided on one side of the electrolyte membrane 21 (left side of FIG. 7B), and the cathode electrode 22b is provided on the opposite side (right side of FIG. 7B). The anode electrode 22 a and the cathode electrode 22 b include a catalyst layer 221 and a gas diffusion layer (GDL) 222. The catalyst layer 221 is formed of carbon black particles on which platinum is supported, for example. The gas diffusion layer 222 is formed of a member having sufficient gas diffusibility and conductivity, such as carbon fiber.

アノードセパレータ１０ａは、アノード電極２２ａの外側に重なる。アノードセパレータ１０ａの片面(アノード電極２２ａへの対向面)には、リブ１３が凸設され、リブ１３の間に反応ガス供給流路１１及び反応ガス排出流路１２が形成される。アノードセパレータ１０ａは、たとえばカーボン製又は金属製である。   The anode separator 10a overlaps the outside of the anode electrode 22a. On one side of the anode separator 10 a (surface facing the anode electrode 22 a), ribs 13 are provided so as to form a reaction gas supply channel 11 and a reaction gas discharge channel 12 between the ribs 13. The anode separator 10a is made of, for example, carbon or metal.

カソードセパレータ１０ｂは、カソード電極２２ｂの外側に重なる。カソードセパレータ１０ｂの片面(カソード電極２２ｂへの対向面)には、リブ１３が凸設され、リブ１３の間に反応ガス供給流路１１及び反応ガス排出流路１２が形成される。カソードセパレータ１０ｂは、たとえばカーボン製又は金属製である。   The cathode separator 10b overlaps the outside of the cathode electrode 22b. On one side of the cathode separator 10 b (the surface facing the cathode electrode 22 b), ribs 13 are provided so as to form a reaction gas supply channel 11 and a reaction gas discharge channel 12 between the ribs 13. The cathode separator 10b is made of, for example, carbon or metal.

反応ガス供給口１４から供給された反応ガス(アノードガス、カソードガス)は、まず反応ガス供給流路１１を流れ、図７(Ｂ)に矢印で示すようにガス拡散層(ＧＤＬ)２２２を透過して、反応ガス排出流路１２に到達し、反応ガス排出口１５から排出される。   The reaction gas (anode gas, cathode gas) supplied from the reaction gas supply port 14 first flows through the reaction gas supply channel 11 and permeates the gas diffusion layer (GDL) 222 as shown by an arrow in FIG. Then, it reaches the reaction gas discharge channel 12 and is discharged from the reaction gas discharge port 15.

このような構造によれば、反応ガス供給流路１１を流れる反応ガスに含まれる水分(燃料電池の反応によって生じた生成水)が反応ガスともにガス拡散層(ＧＤＬ)２２２に到達するので、電解質膜２１の加湿状態が良好に保たれるのである。また反応ガスが反応ガス排出流路１２に流出し、反応生成水を持ち去ることができるので、これによっても電解質膜２１の加湿状態が良好に保たれる。したがって電解質膜２１の湿潤度合が良好に維持されるのである。   According to such a structure, moisture (product water generated by the reaction of the fuel cell) contained in the reaction gas flowing through the reaction gas supply channel 11 reaches the gas diffusion layer (GDL) 222 together with the reaction gas. The humidified state of the film 21 is kept good. In addition, since the reaction gas flows out into the reaction gas discharge channel 12 and the reaction product water can be taken away, the humidified state of the electrolyte membrane 21 is also kept good. Therefore, the degree of wetness of the electrolyte membrane 21 is maintained well.

しかしながら、反応ガス供給流路１１を流れる反応ガスが乾燥気味であるときに、反応ガスがガス拡散層(ＧＤＬ)２２２に到達するようにしては、ガス拡散層(ＧＤＬ)２２２から反応生成水を持ち去られて乾燥してしまい良好な湿潤状態が得られない。そこで本件発明者らは、反応ガスの湿潤状態に応じてガス拡散層へ流れるガス量が変わるようにしたのである。以下では具体的な構成について説明する。   However, when the reaction gas flowing through the reaction gas supply channel 11 is dry, the reaction product water is supplied from the gas diffusion layer (GDL) 222 so that the reaction gas reaches the gas diffusion layer (GDL) 222. It is taken away and dried, and a good wet state cannot be obtained. Therefore, the inventors of the present invention changed the amount of gas flowing to the gas diffusion layer according to the wet state of the reaction gas. Hereinafter, a specific configuration will be described.

（第１実施形態）
図１は、本発明による燃料電池用セパレータ構造の第１実施形態を示す図であり、図７(Ｂ)に相当する断面図である。 (First embodiment)
FIG. 1 is a view showing a first embodiment of a separator structure for a fuel cell according to the present invention, and is a cross-sectional view corresponding to FIG. 7 (B).

本実施形態の燃料電池用セパレータ１０のリブ１３は、導電性の多孔質部材に、周囲相対湿度に応じて水分を吸収して膨潤する特性の吸湿性樹脂を含む。このような特性は、たとえば、ヒドロキシル基(-OH)、−カルボキシル基(-COOH)、アミノ基(-NH2)、カルボニル基(-CO)、スルホン基、スルホン酸基(-SO3H)、ペプチド結合(-CONH-)、エーテル結合(-COO-)、シアノ基(-CN)、ポリオキシエチレン基、チオール基(-SH)、アルデヒド基(-COH)、アミド基(-CONH2)、イミド基、イミダゾール(ヘテロ環)基、エステル結合(-O-)、ホスホジエステル結合(-O-P(=O)OH-O-)などの親水性の官能基を有する高分子に見られる。なお上述の官能基は一例に過ぎず、これらの官能基に何ら制限されるものではない。またこのような親水性官能基を有していなくとも、周囲相対湿度に応じて水分を吸収して膨潤する特性であれば本発明に用いることができる。 The rib 13 of the fuel cell separator 10 of the present embodiment includes a hygroscopic resin having a characteristic of absorbing and swelling water in accordance with the ambient relative humidity in the conductive porous member. Such characteristics include, for example, hydroxyl group (—OH), —carboxyl group (—COOH), amino group (—NH 2 ), carbonyl group (—CO), sulfone group, sulfonic acid group (—SO 3 H). , Peptide bond (-CONH-), ether bond (-COO-), cyano group (-CN), polyoxyethylene group, thiol group (-SH), aldehyde group (-COH), amide group (-CONH 2 ) , An imide group, an imidazole (heterocyclic) group, an ester bond (—O—), and a phosphodiester bond (—OP (═O) OH—O—). The functional groups described above are merely examples, and the functional groups are not limited to these functional groups. Moreover, even if it does not have such a hydrophilic functional group, it can be used in the present invention as long as it has a characteristic of absorbing water and swelling according to the ambient relative humidity.

本実施形態では、このような親水性官能基を有する吸湿性樹脂を多孔質部材に担持した。   In the present embodiment, the hygroscopic resin having such a hydrophilic functional group is supported on the porous member.

図２は、反応ガスの湿度が変化したときのガス拡散層(ＧＤＬ)及びセパレータリブの圧力損失について説明する図である。   FIG. 2 is a view for explaining the pressure loss of the gas diffusion layer (GDL) and the separator rib when the humidity of the reaction gas changes.

図２(Ａ)のように、ガス透過性のない材料で作製したセパレータ１０を、ガス拡散層(ＧＤＬ)２２２に当接させて、反応ガス供給流路１１及び反応ガス排出流路１２を模式的に組んだ。そして湿潤状態を変えながら反応ガスを反応ガス供給流路１１に流した。そして反応ガス供給流路１１の圧力Ｐａ１と、反応ガス排出流路１２の圧力Ｐａ２と、の圧力差(圧力損失)を測定した。すると図２(Ｃ)に示すように反応ガスの湿度が上がるにつれて圧力損失ΔＰａも上がった。すなわち反応ガスの湿度が上がるにつれて、反応ガスは、反応ガス供給流路１１から反応ガス排出流路１２へ流れにくくなっていることが分かる。   As shown in FIG. 2A, a separator 10 made of a material having no gas permeability is brought into contact with a gas diffusion layer (GDL) 222 to schematically represent a reaction gas supply channel 11 and a reaction gas discharge channel 12. Assembled. The reaction gas was allowed to flow through the reaction gas supply channel 11 while changing the wet state. Then, the pressure difference (pressure loss) between the pressure Pa1 of the reaction gas supply channel 11 and the pressure Pa2 of the reaction gas discharge channel 12 was measured. Then, as shown in FIG. 2 (C), the pressure loss ΔPa increased as the humidity of the reaction gas increased. That is, as the humidity of the reaction gas increases, the reaction gas is less likely to flow from the reaction gas supply channel 11 to the reaction gas discharge channel 12.

次に図２(Ｂ)のように、セパレータ１０を、ガス透過性のない材料で作製したガス拡散層(ＧＤＬ)２２２に当接させて、反応ガス供給流路１１及び反応ガス排出流路１２を模式的に組んだ。そして湿潤状態を変えながら反応ガスを反応ガス供給流路１１に流した。そして反応ガス供給流路１１の圧力Ｐｂ１と、反応ガス排出流路１２の圧力Ｐｂ２と、の圧力差(圧力損失)を測定した。すると図２(Ｃ)に示すように反応ガスの湿度が上がるにつれて圧力損失ΔＰｂも上がった。リブ１３の反応ガスの湿度変化に対する圧力損失変化率は、ガス拡散層２２２の圧力損失変化率よりも大きく変化した。反応ガスの湿度が比較的小さいときには、リブ１３の圧力損失ΔＰｂがガス拡散層２２２の圧力損失ΔＰａよりも小さい。反応ガスの湿度が比較的大きいときには、リブ１３の圧力損失ΔＰｂがガス拡散層２２２の圧力損失ΔＰａよりも大きい。リブ１３及びガス拡散層２２２の特性はこのようになった。   Next, as shown in FIG. 2 (B), the separator 10 is brought into contact with a gas diffusion layer (GDL) 222 made of a material having no gas permeability, and the reaction gas supply channel 11 and the reaction gas discharge channel 12 are contacted. Was assembled schematically. The reaction gas was allowed to flow through the reaction gas supply channel 11 while changing the wet state. Then, the pressure difference (pressure loss) between the pressure Pb1 of the reaction gas supply channel 11 and the pressure Pb2 of the reaction gas discharge channel 12 was measured. Then, as shown in FIG. 2 (C), the pressure loss ΔPb increased as the humidity of the reaction gas increased. The rate of change in pressure loss with respect to the change in humidity of the reaction gas in the rib 13 changed more greatly than the rate of change in pressure loss in the gas diffusion layer 222. When the humidity of the reaction gas is relatively low, the pressure loss ΔPb of the rib 13 is smaller than the pressure loss ΔPa of the gas diffusion layer 222. When the humidity of the reaction gas is relatively high, the pressure loss ΔPb of the rib 13 is larger than the pressure loss ΔPa of the gas diffusion layer 222. The characteristics of the rib 13 and the gas diffusion layer 222 are as described above.

図３は、反応ガスの湿度が変化したときの反応ガスの通流状態を示す図であり、図３(Ａ)は反応ガスの湿潤度が低く、図３(Ｂ)は反応ガスの湿潤度が高い状態を示す。   FIG. 3 is a diagram showing a flow state of the reaction gas when the humidity of the reaction gas is changed. FIG. 3A shows a low wetness of the reaction gas, and FIG. 3B shows a wetness of the reaction gas. Indicates a high state.

リブ１３及びガス拡散層２２２の特性は、上述のような特性であるので、反応ガスの湿潤度が低いときには、図３(Ａ)のようにリブ１３の吸湿性樹脂が収縮しており、圧力損失が小さい。そのため反応ガスはリブ１３を介して反応ガス供給流路１１から反応ガス排出流路１２へと流れやすく、ドライアウトを生じさせない。電解質膜を保湿できるのである。反応ガスの湿潤度が高いときには、図３(Ｂ)のようにリブ１３の吸湿性樹脂が膨張しており、圧力損失が大きくなる。そのため反応ガスはリブ１３を迂回してガス拡散層２２２介して反応ガス供給流路１１から反応ガス排出流路１２へと流れ、フラッディングを生じさせない。このように本実施形態によれば、反応ガスの湿潤度に応じてガス拡散層２２２へのガス供給が変化するようになったので、ガス拡散層を良好な湿潤度に保つことができ、電解質膜の湿潤度が良好に保たれるようになったのである。   Since the characteristics of the rib 13 and the gas diffusion layer 222 are as described above, when the wetness of the reaction gas is low, the hygroscopic resin of the rib 13 is contracted as shown in FIG. Loss is small. Therefore, the reaction gas easily flows from the reaction gas supply channel 11 to the reaction gas discharge channel 12 via the rib 13 and does not cause dryout. The electrolyte membrane can be moisturized. When the wetness of the reaction gas is high, the hygroscopic resin of the rib 13 is expanded as shown in FIG. 3B, and the pressure loss increases. Therefore, the reactive gas bypasses the rib 13 and flows from the reactive gas supply channel 11 to the reactive gas discharge channel 12 via the gas diffusion layer 222, and does not cause flooding. As described above, according to the present embodiment, since the gas supply to the gas diffusion layer 222 changes according to the wetness of the reaction gas, the gas diffusion layer can be maintained at a good wetness, and the electrolyte The wetness of the film was kept good.

すなわち本発明では、高湿潤状態では、反応ガスをガス拡散層(電極触媒層)に強制的に通過させることで、ガス拡散電極内に溜まった水を排出することができ、フラッディングを防止している。また、低湿潤状態では、少なくともガス拡散層内に反応ガスを強制対流させることによって、ガス拡散層内に生じる反応ガス濃度勾配(特にＭＥＡを保持するリブに対向する部分で顕著である)によって触媒層に供給される反応ガス濃度が低下して発電性能が低下することを防いでいる。なお、反応ガスの対流輸送化は高電流密度領域での性能向上に著しく効果がある。このように本発明によれば、従来トレードオフの関係にあった課題を解決でき、 スタック温度の変化による反応ガスの相対湿度大きく変わる車載用スタックでは特に有効である。   That is, in the present invention, in a highly moist state, by forcing the reaction gas to pass through the gas diffusion layer (electrode catalyst layer), water accumulated in the gas diffusion electrode can be discharged, and flooding is prevented. Yes. In the low-humidity state, the reaction gas is forced to convection at least in the gas diffusion layer, so that the catalyst is caused by the reaction gas concentration gradient generated in the gas diffusion layer (particularly in the portion facing the rib holding the MEA). The reaction gas concentration supplied to the bed is prevented from lowering and the power generation performance is prevented from lowering. Note that the convective transport of the reaction gas is remarkably effective in improving the performance in the high current density region. As described above, according to the present invention, it is possible to solve the problems that have been related to the conventional trade-off, and it is particularly effective in an in-vehicle stack in which the relative humidity of the reaction gas changes greatly due to a change in the stack temperature.

（第２実施形態）
図４は、本発明による燃料電池用セパレータ構造の第２実施形態を示す断面図であり、図４(Ａ)は全体図、図４(Ｂ−１)(Ｂ−２)は図４(Ａ)のＢ部拡大図である。 (Second Embodiment)
FIG. 4 is a cross-sectional view showing a second embodiment of a fuel cell separator structure according to the present invention. FIG. 4 (A) is an overall view, and FIGS. 4 (B-1) and 4 (B-2) are FIG. FIG.

本実施形態では、セパレータ１０のリブ１３を導電性緻密部材で構成し、貫通孔を形成した。そしてこの貫通孔の表面に吸湿性部材をコーティングした。   In the present embodiment, the rib 13 of the separator 10 is made of a conductive dense member, and a through hole is formed. And the hygroscopic member was coated on the surface of the through hole.

このような構成であっても、反応ガスの湿潤度が低いときには、図４(Ｂ−１)のようにリブ１３の吸湿性樹脂が収縮しており、圧力損失が小さい。そのため反応ガスはリブ１３を介して反応ガス供給流路１１から反応ガス排出流路１２へと流れやすい。   Even in such a configuration, when the wetness of the reaction gas is low, the hygroscopic resin of the rib 13 is contracted as shown in FIG. Therefore, the reaction gas easily flows from the reaction gas supply channel 11 to the reaction gas discharge channel 12 via the rib 13.

反応ガスの湿潤度が高いときには、図４(Ｂ−２)のようにリブ１３の吸湿性樹脂が膨張しており、圧力損失が大きくなる。そのため反応ガスはリブ１３を迂回してガス拡散層２２２介して反応ガス供給流路１１から反応ガス排出流路１２へと流れる。   When the wetness of the reaction gas is high, the hygroscopic resin of the rib 13 is expanded as shown in FIG. 4B-2, and the pressure loss is increased. Therefore, the reaction gas bypasses the rib 13 and flows from the reaction gas supply channel 11 to the reaction gas discharge channel 12 via the gas diffusion layer 222.

本実施形態によっても、反応ガスの湿潤度に応じてガス拡散層２２２へのガス供給が変化するようになったので、ガス拡散層を良好な湿潤度に保つことができるのである。   Also in this embodiment, the gas supply to the gas diffusion layer 222 changes according to the wetness of the reaction gas, so that the gas diffusion layer can be kept at a good wetness.

（第３実施形態）
図５は、本発明による燃料電池用セパレータ構造の第３実施形態を示す図であり、図５(Ａ)は分解構成図、図５(Ｂ−１)(Ｂ−２)は多孔質部材の拡大模式図、図５(Ｃ)は縦断面図である。 (Third embodiment)
FIG. 5 is a view showing a third embodiment of the separator structure for a fuel cell according to the present invention, FIG. 5 (A) is an exploded view, and FIGS. 5 (B-1) and (B-2) are porous members. An enlarged schematic view and FIG. 5C are longitudinal sectional views.

本実施形態の燃料電池用セパレータ１００は、ガス拡散層２２２に全面でほぼ均等に接面し、周囲相対湿度に応じて水分を吸収して膨潤する特性の吸湿性樹脂１３２を含んだガス供給層１３０を有する。   The fuel cell separator 100 of the present embodiment has a gas supply layer that includes a hygroscopic resin 132 that is in contact with the gas diffusion layer 222 almost uniformly over the entire surface and absorbs and swells according to the ambient relative humidity. 130.

ガス供給層１３０は、多孔質部材１３１に吸湿性樹脂１３２がコーティングしてある。ガス供給層１３０は、ガス拡散層２２２に全面でほぼ均等に接面する。   In the gas supply layer 130, a porous member 131 is coated with a hygroscopic resin 132. The gas supply layer 130 contacts the gas diffusion layer 222 almost uniformly over the entire surface.

図６は、本発明による燃料電池用セパレータ構造の第３実施形態の作用を説明する図であり、図６(Ａ)は反応ガスの湿潤度が低い状態を示し、図６(Ｂ)は反応ガスの湿潤度が高い状態を示す。   FIG. 6 is a diagram for explaining the operation of the third embodiment of the fuel cell separator structure according to the present invention. FIG. 6 (A) shows a state where the wetness of the reaction gas is low, and FIG. 6 (B) shows the reaction. It shows a state where the wetness of the gas is high.

上述のように構成すれば、反応ガスの湿潤度が低いときには、図５(Ｂ−１)のように吸湿性樹脂１３２が収縮している。このような状態のときには、図６(Ａ)に示すように反応ガスは、ガス供給層１３０を流れやすくなり、ガス拡散層２２２に過剰に流れてしまうことがない。反応ガスの湿潤度が高いときには、図５(Ｂ−２)のように吸湿性樹脂１３２が膨張している。このような状態のときには、図６(Ｂ)に示すように反応ガスは、ガス供給層１３０を流れにくくなり、ガス拡散層２２２に流れやすくなる。   If comprised as mentioned above, when the wetness of a reactive gas is low, the hygroscopic resin 132 is shrink | contracting like FIG. 5 (B-1). In such a state, as shown in FIG. 6A, the reactive gas easily flows through the gas supply layer 130 and does not flow excessively into the gas diffusion layer 222. When the wetness of the reaction gas is high, the hygroscopic resin 132 is expanded as shown in FIG. In such a state, the reaction gas is less likely to flow through the gas supply layer 130 and more likely to flow into the gas diffusion layer 222 as shown in FIG.

このように本実施形態によっても、反応ガスの湿潤度に応じてガス拡散層２２２へのガス供給が変化するようになったので、ガス拡散層を良好な湿潤度に保つことができるのである。   As described above, also according to the present embodiment, the gas supply to the gas diffusion layer 222 changes according to the wetness of the reaction gas, so that the gas diffusion layer can be kept at a good wetness.

以上説明した実施形態に限定されることなく、その技術的思想の範囲内において種々の変形や変更が可能であり、それらも本発明の技術的範囲に含まれることが明白である。   Without being limited to the embodiments described above, various modifications and changes are possible within the scope of the technical idea, and it is obvious that these are also included in the technical scope of the present invention.

たとえば、上述したように前述の官能基はあくまでも一例に過ぎず、これらの官能基に何ら制限されるものではない。またこのような親水性官能基を有していなくとも、周囲相対湿度に応じて水分を吸収して膨潤する特性であれば本発明に用いることができる。   For example, as described above, the above-described functional groups are merely examples, and are not limited to these functional groups. Moreover, even if it does not have such a hydrophilic functional group, it can be used in the present invention as long as it has a characteristic of absorbing water and swelling according to the ambient relative humidity.

また上記説明においては、カソードセパレータにガス供給調整部を構成する場合を例示して説明したが、アノードセパレータであってもよい。   In the above description, the case where the gas supply adjusting unit is configured in the cathode separator has been described as an example, but an anode separator may be used.

本発明による燃料電池用セパレータ構造の第１実施形態を示す図である。It is a figure which shows 1st Embodiment of the separator structure for fuel cells by this invention. 反応ガスの湿度が変化したときのガス拡散層(ＧＤＬ)及びセパレータリブの圧力損失について説明する図である。It is a figure explaining the pressure loss of a gas diffusion layer (GDL) and a separator rib when the humidity of a reaction gas changes. 反応ガスの湿度が変化したときの反応ガスの通流状態を示す図である。It is a figure which shows the flow state of the reactive gas when the humidity of the reactive gas changes. 本発明による燃料電池用セパレータ構造の第２実施形態を示す断面図である。It is sectional drawing which shows 2nd Embodiment of the separator structure for fuel cells by this invention. 本発明による燃料電池用セパレータ構造の第３実施形態を示す図である。It is a figure which shows 3rd Embodiment of the separator structure for fuel cells by this invention. 本発明による燃料電池用セパレータ構造の第３実施形態の作用を説明する図である。It is a figure explaining the effect | action of 3rd Embodiment of the separator structure for fuel cells by this invention. 一般的なインターデジテイテッド型セパレータについて説明する図である。It is a figure explaining a general interdigitated type separator.

符号の説明Explanation of symbols

１０ セパレータ
１１ 反応ガス供給流路
１２ 反応ガス排出流路
１３ リブ(ガス供給量調整部)
１３０ ガス供給層(ガス供給量調整部)
２０ 膜電極接合体(ＭＥＡ)
２１ 電解質膜
２２ 電極
２２１ 触媒層
２２２ ガス拡散層(ＧＤＬ) DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Separator 11 Reaction gas supply flow path 12 Reaction gas discharge flow path 13 Rib (Gas supply amount adjustment part)
130 Gas supply layer (Gas supply adjustment section)
20 Membrane electrode assembly (MEA)
21 Electrolyte membrane 22 Electrode 221 Catalyst layer 222 Gas diffusion layer (GDL)

Claims (7)

燃料電池のガス拡散層に当接し、そのガス拡散層へ反応ガスを供給する燃料電池用セパレータの構造であって、
前記反応ガスの湿度変化に対する圧力損失変化率が、前記ガス拡散層の圧力損失変化率と相違することで、ガス拡散層への供給ガス量を調整可能なガス供給量調整部を有する、
ことを特徴とする燃料電池用セパレータ構造。 A structure of a fuel cell separator that contacts a gas diffusion layer of a fuel cell and supplies a reaction gas to the gas diffusion layer,
The pressure loss change rate with respect to humidity change of the reaction gas is different from the pressure loss change rate of the gas diffusion layer, thereby having a gas supply amount adjustment unit capable of adjusting the amount of gas supplied to the gas diffusion layer.
A separator structure for a fuel cell. 請求項１に記載の燃料電池用セパレータ構造において、
前記ガス供給量調整部は、前記反応ガスの湿度変化に対する圧力損失変化率が、前記ガス拡散層の圧力損失変化率よりも大きく、前記反応ガスの湿度が比較的小さいときには圧力損失が前記ガス拡散層の圧力損失よりも小さくなってガス拡散層への供給ガス量を減量し、前記反応ガスの湿度が比較的大きいときには圧力損失が前記ガス拡散層の圧力損失よりも大きくなってガス拡散層への供給ガス量を増量する、
ことを特徴とする燃料電池用セパレータ構造。 The fuel cell separator structure according to claim 1,
The gas supply amount adjustment unit has a pressure loss change rate with respect to a change in humidity of the reaction gas that is greater than a pressure loss change rate of the gas diffusion layer, and the pressure loss is reduced when the humidity of the reaction gas is relatively small. The pressure loss of the gas diffusion layer is reduced by reducing the pressure loss of the gas diffusion layer, and when the humidity of the reaction gas is relatively high, the pressure loss becomes larger than the pressure loss of the gas diffusion layer and enters the gas diffusion layer. Increase the amount of gas supplied,
A separator structure for a fuel cell. 請求項１又は請求項２に記載の燃料電池用セパレータ構造において、
前記燃料電池用セパレータは、ガス流入側が開放しガス流出側が閉塞する反応ガス供給流路と、ガス流入側が閉塞しガス流出側が開放する反応ガス排出流路と、がリブを介して交互に並んだインターデジテイテッド型セパレータであり、
前記ガス供給量調整部は、前記リブである、
ことを特徴とする燃料電池用セパレータ構造。 In the fuel cell separator structure according to claim 1 or 2,
In the fuel cell separator, a reaction gas supply channel in which a gas inflow side is open and a gas outflow side is closed, and a reaction gas discharge channel in which a gas inflow side is closed and a gas outflow side is opened are alternately arranged via ribs. An interdigitated separator,
The gas supply amount adjusting unit is the rib.
A separator structure for a fuel cell. 請求項３に記載の燃料電池用セパレータ構造において、
前記リブは、周囲相対湿度に応じて水分を吸収して膨潤する特性の吸湿性樹脂を含む、
ことを特徴とする燃料電池用セパレータ構造。 In the fuel cell separator structure according to claim 3,
The rib includes a hygroscopic resin having a characteristic of absorbing and swelling moisture according to the ambient relative humidity.
A separator structure for a fuel cell. 請求項３に記載の燃料電池用セパレータ構造において、
前記リブは、隣り合う前記反応ガス供給流路と前記反応ガス排出流路とを連通し、前記反応ガスの湿度変化に応じて通路断面積が変化する連通路を有する、
ことを特徴とする燃料電池用セパレータ構造。 In the fuel cell separator structure according to claim 3,
The rib communicates with the reaction gas supply channel and the reaction gas discharge channel adjacent to each other, and has a communication channel whose channel cross-sectional area changes according to a change in humidity of the reaction gas.
A separator structure for a fuel cell. 請求項１又は請求項２に記載の燃料電池用セパレータ構造において、
前記燃料電池用セパレータは、周囲相対湿度に応じて水分を吸収して膨潤する特性の吸湿性樹脂を含み、前記ガス拡散層に全面でほぼ均等に接面するガス供給層を有し、そのガス供給層が前記ガス供給量調整部である、
ことを特徴とする燃料電池用セパレータ構造。 In the fuel cell separator structure according to claim 1 or 2,
The fuel cell separator includes a hygroscopic resin having a characteristic of absorbing and swelling moisture according to ambient relative humidity, and has a gas supply layer that substantially uniformly contacts the entire surface of the gas diffusion layer. The supply layer is the gas supply amount adjustment unit,
A separator structure for a fuel cell. 請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載の燃料電池用セパレータ構造を有する、
ことを特徴とする燃料電池。 The fuel cell separator structure according to any one of claims 1 to 6,
The fuel cell characterized by the above-mentioned.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2012142881A1 (en) * 2011-04-21 2012-10-26 Li Tieliu Hydrogen fuel cell and system thereof, and method for dynamic variable humidity control

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