JP2010021025A - Fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は燃料電池に係り、特に、スタッキング時に膜電極接合体を構成するガス拡散層に押圧力が作用した際にガス拡散層と電極触媒層の間に形成され得る隙間を効果的に抑止することのできる燃料電池に関するものである。 The present invention relates to a fuel cell, and in particular, effectively suppresses a gap that can be formed between a gas diffusion layer and an electrode catalyst layer when a pressing force is applied to the gas diffusion layer constituting the membrane electrode assembly during stacking. It is related with the fuel cell which can be used.
固体高分子型燃料電池の単セルは、イオン透過性の電解質膜と、該電解質膜を挟持するアノード側およびカソード側の各触媒層とからなる膜電極接合体(MEA:Membrane Electrode Assembly)、もしくは、該触媒層をガス拡散層(GDL)で挟持してなる膜電極接合体(MEGA:Membrane Electrode & Gas Diffusion Layer Assembly)と、該膜電極接合体に燃料ガスもしくは酸化剤ガスを提供するとともに電気化学反応によって生じた電気を集電するためのガス流路層およびセパレータを少なくとも備えている。なお、セパレータがガス流路層の作用をも兼ね備えたセル構造も従来一般に知られるところである。燃料電池スタックは、所要電力に応じてこの単セルを所定数積層することによって形成されている。 A single cell of a polymer electrolyte fuel cell includes a membrane electrode assembly (MEA) comprising an ion permeable electrolyte membrane and catalyst layers on the anode side and the cathode side sandwiching the electrolyte membrane, or A membrane electrode assembly (MEGA: Membrane Electrode & Gas Diffusion Layer Assembly) in which the catalyst layer is sandwiched between gas diffusion layers (GDL), and a fuel gas or an oxidant gas to the membrane electrode assembly and electric At least a gas flow path layer and a separator for collecting electricity generated by a chemical reaction are provided. A cell structure in which the separator also functions as a gas flow path layer is generally known. The fuel cell stack is formed by stacking a predetermined number of single cells according to required power.
上記する燃料電池では、アノード電極に燃料ガスとして水素ガス等が提供され、カソード電極には酸化剤ガスとして酸素や空気が提供され、各電極では固有のガス流路層(セパレータに形成されたガス流路溝を含む)にて面内方向にガスが流れ、次いでガス拡散層にて拡散されたガスが電極触媒に導かれて電気化学反応がおこなわれるものである。 In the fuel cell described above, hydrogen gas or the like is provided as fuel gas to the anode electrode, oxygen or air is provided as the oxidant gas to the cathode electrode, and each electrode has its own gas flow path layer (gas formed in the separator). The gas flows in the in-plane direction (including the channel groove), and then the gas diffused in the gas diffusion layer is guided to the electrode catalyst to cause an electrochemical reaction.
ガス流路となる溝条と、ガス拡散層に当接する当接面と、が交互に連続するセパレータを具備する燃料電池においては、スタック形成時に各セルに付与される押圧力により、セパレータの溝条(ガス流路)に対向するガス拡散層領域において、該ガス拡散層と触媒層との間に隙間が形成され易いことが本発明者によって特定されている。なお、たとえば、ガス流路層となる溝条(凹部)とこれに連続する当接面(凸部)を備えたセパレータを具備する燃料電池に関する従来技術として、特許文献1,2を挙げることができる。
In a fuel cell having a separator in which a groove serving as a gas flow path and an abutting surface that abuts the gas diffusion layer are alternately arranged, the groove of the separator is caused by the pressing force applied to each cell during stack formation. It has been specified by the present inventors that a gap is easily formed between the gas diffusion layer and the catalyst layer in the gas diffusion layer region facing the strip (gas flow path). For example,
上記するセパレータを具備する燃料電池セルの構造を図5の模式図に基づいて説明する。図5で示す燃料電池セルは、電解質膜aと、その両側にあるカソード側およびアノード側の触媒層b、bと、からMEAcが形成され、これをカソード側およびアノード側のガス拡散層d、dが挟持して膜電極接合体(MEGA)を成し、このMEGAをカソード側およびアノード側のセパレータe,eが挟持して形成されるものである。なお、セパレータeは、ガス流路を構成する溝条e1と、これに繋がってガス拡散層dと当接する当接面e2と、の連続体から構成されている。 The structure of the fuel battery cell having the separator described above will be described with reference to the schematic diagram of FIG. In the fuel cell shown in FIG. 5, MEAc is formed from an electrolyte membrane a and cathode and anode catalyst layers b and b on both sides thereof, and this is formed into a gas diffusion layer d on the cathode side and anode side, d is sandwiched to form a membrane electrode assembly (MEGA), and the MEGA is formed by sandwiching cathode and anode separators e and e. In addition, the separator e is comprised from the continuous body of the groove | channel e1 which comprises a gas flow path, and the contact surface e2 connected to this and contact | abutted with the gas diffusion layer d.
ここで、当接面e2下のガス拡散層領域においては、付与される押圧力Pが該当接面e2を介して直接的にガス拡散層dおよびMEAcを押圧するのに対して、溝条e1下のガス拡散層dには、押圧力が直接的に作用しない。したがって、ガス拡散層dは当接面e2下の触媒層で固定され、溝条e1下では該溝条e1側へ変形し易くなってしまう。図中のラインLは、押圧力によって形成されるガス拡散層dの下端の蛇行ラインを模擬したものであり、溝条e1下では該溝条e1側に盛り上がる山Yが形成される。 Here, in the gas diffusion layer region below the contact surface e2, the applied pressing force P directly presses the gas diffusion layer d and MEAc via the corresponding contact surface e2, whereas the groove e1. The pressing force does not act directly on the lower gas diffusion layer d. Therefore, the gas diffusion layer d is fixed by the catalyst layer below the contact surface e2, and easily deforms to the groove e1 side under the groove e1. The line L in the figure simulates a meandering line at the lower end of the gas diffusion layer d formed by the pressing force, and a peak Y rising to the groove e1 side is formed under the groove e1.
上記するガス拡散層dの下端ラインにおける山Yと触媒層の間で隙間が形成されると、この隙間が触媒層とガス拡散層の間の電気抵抗増を齎すこととなり、発電性能が低下する原因となってしまう。さらには、この隙間が水溜りとなり、特にカソード側では、電気化学反応で生成された生成水がこの水溜りに収容されてフラッディングの原因となり得る。このスタッキング時の押圧力によって触媒層とガス拡散層の間に隙間が形成され、この隙間によって発電性能の低下やフラッディングが助成されるという課題は、上記特許文献1,2に開示の燃料電池によっても解決されるものではない。
If a gap is formed between the crest Y in the lower end line of the gas diffusion layer d and the catalyst layer, this gap increases the electric resistance between the catalyst layer and the gas diffusion layer, and the power generation performance is reduced. It becomes a cause. Furthermore, this gap becomes a water pool, and particularly on the cathode side, water generated by an electrochemical reaction can be accommodated in this water pool and cause flooding. A gap is formed between the catalyst layer and the gas diffusion layer by the pressing force at the time of stacking, and the problem that the gap in power generation performance and flooding is aided by the gap is caused by the fuel cell disclosed in
本発明は、上記する問題に鑑みてなされたものであり、膜電極接合体に対向してガス流路を形成する溝条と、膜電極接合体と当接する当接面と、が交互に連続する形態のセパレータを備えた燃料電池に関し、スタッキング時に燃料電池セルに押圧力が作用した際の触媒層とガス拡散層の間に生じ得る隙間を効果的に抑止でき、もって隙間の形成によって齎される、発電性能の低下やフラッディングの助成を効果的に抑止することのできる燃料電池を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above-described problems, and the groove that forms the gas flow path facing the membrane electrode assembly and the contact surface that contacts the membrane electrode assembly are alternately continuous. With regard to a fuel cell having a separator in a form, the gap that may be generated between the catalyst layer and the gas diffusion layer when a pressing force is applied to the fuel cell at the time of stacking can be effectively suppressed, and thus the formation of the gap can be discouraged. An object of the present invention is to provide a fuel cell capable of effectively suppressing the decrease in power generation performance and the subsidy for flooding.
前記目的を達成すべく、本発明による燃料電池は、電解質膜と、その両側に配設された触媒層と、さらに該触媒層の両側に配設されたガス拡散層と、からなる膜電極接合体と、該膜電極接合体の両側に配設された面材からなるセパレータと、からなり、該セパレータは、ガス拡散層に対向するガス流路を画成する溝条と、ガス拡散層に当接する当接面と、が交互に連続した形状を呈している、燃料電池において、前記当接面には、該当接面の両側の前記溝条から圧縮力が作用した際に、当接面の幅を小さくする変位手段を備えているものである。 In order to achieve the above object, a fuel cell according to the present invention comprises a membrane electrode joint comprising an electrolyte membrane, a catalyst layer disposed on both sides of the electrolyte membrane, and a gas diffusion layer disposed on both sides of the catalyst layer. And separators made of face materials disposed on both sides of the membrane electrode assembly, the separator comprising a groove that defines a gas flow path facing the gas diffusion layer, and a gas diffusion layer In the fuel cell, in which the contact surface is in contact with the contact surface, the contact surface has a contact surface when a compressive force is applied to the contact surface from the grooves on both sides of the contact surface. Displacement means for reducing the width is provided.
本発明の燃料電池は、ガス流路を形成する溝条とガス拡散層に当接する当接面が交互に連続する面状のセパレータを有するものであり、この当接面にその両側の溝条(フラットな頂面とこの頂面に連続する側面とから構成される)から圧縮力が作用した際に、当接面の幅を小さくする変位手段を備えているものである。 The fuel cell of the present invention has a sheet-like separator in which a groove forming a gas flow path and a contact surface in contact with the gas diffusion layer are alternately continuous, and grooves on both sides of the contact surface are provided on the contact surface. Displacement means for reducing the width of the contact surface when a compressive force is applied from a flat top surface and a side surface continuous with the top surface is provided.
この圧縮力は、スタッキング時に溝条の頂面に作用する押圧力が溝条の側面を介して当接面に伝達され、該当接面にて圧縮力となって作用するものであり、任意の当接面に対してその両側の溝条の側面から圧縮力が作用した際に、当接面に設けられた変位手段によって該当接面の幅が小さくなるように構成されている。当接面の幅が小さくなる過程で、該当接面とガス拡散層の間の摩擦力によって当接面直下の領域にあるガス拡散層にもたとえばその中央側に向う圧縮力が作用することとなる。このことにより、溝条直下の領域にあるガス拡散層には、その両側の当接面直下の領域のガス拡散層から引張力が作用することになる。 This compressive force is such that the pressing force acting on the top surface of the groove during stacking is transmitted to the contact surface via the side surface of the groove, and acts as a compressive force on the corresponding contact surface. When a compressive force is applied to the contact surface from the side surfaces of the grooves on both sides, the width of the contact surface is reduced by the displacement means provided on the contact surface. In the process of reducing the width of the contact surface, for example, a compressive force toward the center side also acts on the gas diffusion layer in the region immediately below the contact surface due to the frictional force between the contact surface and the gas diffusion layer. Become. As a result, a tensile force acts on the gas diffusion layer in the region immediately below the groove from the gas diffusion layer in the region immediately below the contact surfaces on both sides.
この引張力により、図5のごとく溝条直下の領域で蛇行ラインLの山Yが形成され易いガス拡散層がその両側から引っ張られるために、同図のごとき蛇行ラインの形成は抑止される。したがって、この蛇行ラインによって形成されるガス拡散層と触媒層の間の隙間の形成も抑止され、この隙間に起因する電気抵抗の増加や、この隙間に生成水が滞留することによるフラッディングの発生などが効果的に抑止される。 Due to this tensile force, the gas diffusion layer in which the peak Y of the meandering line L is easily formed in the region immediately below the groove as shown in FIG. 5 is pulled from both sides, and the formation of the meandering line as shown in FIG. Therefore, the formation of a gap between the gas diffusion layer and the catalyst layer formed by the meandering line is also suppressed, an increase in electrical resistance due to this gap, and generation of flooding due to retention of generated water in this gap, etc. Is effectively deterred.
ここで、前記変位手段の一実施の形態として、前記当接面の一部がガス拡散層と反対側に折り曲げられて形成された突起を挙げることができる。 Here, as an embodiment of the displacement means, a protrusion formed by bending a part of the abutting surface to the opposite side to the gas diffusion layer can be mentioned.
たとえば当接面の中央位置もしくは略中央位置において、当接面からある勾配で立ち上がり、頂部で折り曲げられ、同様にある勾配で落ち込んで当接面に至るような突起を設けておく。このような突起はその内側に空間を有しており、該突起の両側から圧縮力(突起を潰そうとする力)が作用した際にその中央空間側に変形することは理解に易い。突起が圧縮力を受けてその中央空間側へ変形すると、突起を形成する側面は、当初の立ち勾配よりも立ち角度がより90度に近づくこととなり、この変形によって、当接面は突起に向かって変位しながらその全体幅を小さくすることとなる。当接面が突起に向かって変位する過程で、該当接面直下のガス拡散層には摩擦力を介してその突起下方位置(ガス拡散層の突起に対応する位置)に対して、その左右から圧縮力が作用する。この圧縮力により、溝条直下の領域のガス拡散層には引張力が作用し、上記のごとく蛇行ラインの形成が抑止されるものである。 For example, at the center position or substantially the center position of the contact surface, there is provided a projection that rises from the contact surface with a certain gradient, is bent at the top, and similarly falls down with a certain gradient to reach the contact surface. Such a protrusion has a space inside thereof, and it is easy to understand that the protrusion is deformed to the central space side when a compressive force (force to crush the protrusion) is applied from both sides of the protrusion. When the protrusion receives a compressive force and deforms toward the central space, the side surface forming the protrusion comes closer to 90 degrees than the initial standing slope, and this deformation causes the contact surface to face the protrusion. The overall width is reduced while being displaced. In the process in which the contact surface is displaced toward the protrusion, the gas diffusion layer immediately below the contact surface is subjected to frictional force to the position below the protrusion (the position corresponding to the protrusion of the gas diffusion layer) from the left and right. A compression force acts. Due to this compressive force, a tensile force acts on the gas diffusion layer in the region immediately below the groove, and the formation of the meandering line is suppressed as described above.
また、前記変位手段の他の実施の形態として、前記当接面に設けられた断面欠損部を挙げることができる。 Further, as another embodiment of the displacement means, a cross-sectional defect portion provided on the contact surface can be cited.
たとえば、当接面の中央位置もしくは略中央位置において、そのガス拡散層側の側面に切欠きを設けて断面欠損部とする。この断面欠損部の形状は、ガス拡散層側に開いた三角形、半円形、半楕円形などの任意形状を適用できる。 For example, a cutout is provided in the side surface on the gas diffusion layer side at the center position or substantially center position of the contact surface to form a cross-sectional defect portion. As the shape of the cross-sectional defect portion, an arbitrary shape such as a triangle, a semicircular shape, and a semi-elliptical shape opened on the gas diffusion layer side can be applied.
当接面の両側から圧縮力が作用すると、断面欠損部の両側に位置する当接面領域はこの断面欠損部の欠損空間に向かって変位し、該領域の一部が欠損空間に収容される。当接面直下の領域のガス拡散層においては、この当接面の変位により、摩擦力を介して、その断面欠損部に対応する位置に向かう圧縮力が作用することとなる。この圧縮力によって溝条直下の領域のガス拡散層には引張力が作用し、蛇行ラインの形成が抑止される。 When compressive force is applied from both sides of the contact surface, the contact surface regions located on both sides of the cross-sectional defect portion are displaced toward the defect space of the cross-sectional defect portion, and a part of the region is accommodated in the defect space. . In the gas diffusion layer in the region immediately below the abutting surface, a compressive force directed to a position corresponding to the cross-sectional defect portion acts via a frictional force due to the displacement of the abutting surface. By this compressive force, a tensile force acts on the gas diffusion layer in the region immediately below the groove, and the formation of the meandering line is suppressed.
また、前記溝条と前記当接面は、導電性を有した異なる剛性の素材から形成されており、前記変位手段のさらに他の実施の形態として、溝条に比して低剛性素材から形成された当接面を挙げることができる。 Further, the groove and the contact surface are formed of a material having different rigidity with conductivity. As still another embodiment of the displacement means, the groove and the contact surface are formed of a material having a lower rigidity than the groove. Can be mentioned.
当接面を溝条に比して低剛性素材から形成しておくことにより、溝条から作用する圧縮力によって当接面を弾性収縮(弾性変形)させ易くなり、この弾性収縮時の摩擦力によって、当接面直下の領域のガス拡散層には、たとえばその中央位置に向かう圧縮力を作用させることができる。この圧縮力によって溝条直下の領域のガス拡散層には引張力が作用し、蛇行ラインの形成が抑止される。 By forming the contact surface from a material having a lower rigidity than the groove, it becomes easier to elastically contract (elastically deform) the contact surface by the compressive force acting from the groove, and the frictional force during this elastic contraction Thus, for example, a compressive force toward the center position can be applied to the gas diffusion layer in the region immediately below the contact surface. By this compressive force, a tensile force acts on the gas diffusion layer in the region immediately below the groove, and the formation of the meandering line is suppressed.
ここで、導電性を有した異なる剛性の素材の組み合わせとしては、溝条をステンレス(SUS)から形成し、当接面を、チタンやアルミニウムもしくはその合金から形成してなるセパレータを挙げることができる。ここで、ステンレスのヤング率は200GPa程度、チタンのそれは110GPa程度、アルミニウムやその合金は70GPa程度であり、たとえばアルミニウム製の当接面は、ステンレス製の溝条に比して格段に変形性能が高いものとなる。 Here, as a combination of materials having different rigidity having conductivity, a separator in which grooves are formed from stainless steel (SUS) and a contact surface is formed from titanium, aluminum, or an alloy thereof can be exemplified. . Here, the Young's modulus of stainless steel is about 200 GPa, that of titanium is about 110 GPa, and aluminum and its alloys are about 70 GPa. For example, the abutment surface made of aluminum has a deformability that is much higher than that of a stainless steel groove. It will be expensive.
また、前記溝条の側面に関して言えば、ガス拡散層側に向かってガス流路幅が広がるようなテーパー面となっているのが好ましい。 Further, in terms of the side surface of the groove, it is preferable that the groove has a tapered surface that widens the gas flow path toward the gas diffusion layer.
溝条を形成する側面がガス拡散層側に向かってガス流路幅が広がるようなテーパー面を成していることで、溝条の頂面に作用する押圧力をこのテーパー状の側面を介して当接面に伝達し易くでき(頂面に作用した押圧力の当接面への力の流れがスムーズとなる)、当接面に対して、より効果的に圧縮力を付与することができる。 The side surface forming the groove forms a tapered surface that widens the gas flow path width toward the gas diffusion layer side, so that the pressing force acting on the top surface of the groove is passed through the tapered side surface. Can be easily transmitted to the contact surface (the flow of the force applied to the contact surface on the top surface becomes smooth), and the compression force can be applied to the contact surface more effectively. it can.
以上の説明から理解できるように、本発明の燃料電池によれば、溝条と当接面が交互に連続するセパレータを有する燃料電池において、この当接面に適宜の変位手段を設けることにより、スタッキング時に燃料電池セルに押圧力が作用した際の触媒層とガス拡散層の間に生じ得る隙間を効果的に抑止でき、もって隙間の形成によって齎される、発電性能の低下やフラッディングの助成を効果的に抑止することができる。 As can be understood from the above description, according to the fuel cell of the present invention, in the fuel cell having the separator in which the groove and the contact surface are alternately continuous, by providing an appropriate displacement means on the contact surface, Effectively suppresses gaps that may occur between the catalyst layer and gas diffusion layer when a pressing force is applied to the fuel cell during stacking, thus reducing the power generation performance and subsidizing flooding, which is caused by the formation of gaps. Can be deterred.
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
図1は、本発明の燃料電池を構成する燃料電池セルの一実施の形態の縦断面図である。図1に示す燃料電池セル10は、イオン交換膜である電解質膜1とカソード側およびアノード側の触媒層2A,2Bとから形成されるMEA3と、該MEA3とこれを挟持するカソード側、アノード側のガス拡散層4A,4Bとから形成される膜電極接合体5(MEGA)と、膜電極接合体5を挟持するカソード側およびアノード側のセパレータ8,8と、からなり、その周縁に不図示の樹脂製のガスケットが一体に形成されて構成される。
FIG. 1 is a longitudinal sectional view of an embodiment of a fuel cell constituting the fuel cell of the present invention. A
MEA3を構成する電解質膜1は、スルホン酸基やカルボニル基を持つフッ素系イオン交換膜、置換フェニレンオキサイドやスルホン化ポリアリールエーテルケトン、スルホン化ポリアリールエーテルスルホン、スルホン化フェニレンスルファイドなどの非フッ素系のポリマーなどからなり、触媒層2A,2Bは、白金やその合金からなる触媒をカーボン等に担持させた多孔質素材からなる。また、ガス拡散層4A,4Bは、カーボンペーパーやカーボンクロスなどのガス透過性の素材から形成され、適宜の撥水処理がおこなわれている。
The electrolyte membrane 1 constituting the MEA 3 is a fluorine-based ion exchange membrane having a sulfonic acid group or a carbonyl group, a non-fluorine such as a substituted phenylene oxide, a sulfonated polyaryletherketone, a sulfonated polyarylethersulfone, or a sulfonated phenylene sulfide. The catalyst layers 2A and 2B are made of a porous material in which a catalyst made of platinum or an alloy thereof is supported on carbon or the like. Further, the
セパレータ8は、ガス不透過性の緻密なカーボン材や緻密黒鉛材などからなる面材から形成されるものであり、図示のごとく、ガス流路を画成する直線状もしくは蛇行状の溝条6と、この溝条6に連続してガス拡散層4A,4Bに当接する当接面7と、が交互に連続した形状を呈している。なお、セパレータ8に形成された当接面7のガス流路層4A,4Bとは反対側に画成される溝条は、冷却水用流路に供される。
The
実際の燃料電池は、所望する発電量に応じて燃料電池セル10が所定段積層されて燃料電池スタックが形成されるものである。さらに、この燃料電池スタックは、最外側にエンドプレート、テンションプレート等を備え、両端のテンションプレート間に押圧力(圧縮力)が加えられて定寸構造の燃料電池スタックが形成される。
In actual fuel cells,
電気自動車等に車載される燃料電池システムは、この燃料電池と、水素ガスや空気を収容する各種タンク、これらのガスを燃料電池に提供するためのブロア、燃料電池を冷却するためのラジエータ、燃料電池で生成された電力を蓄電するバッテリ、この電力で駆動する駆動モータ等から大略構成される。 A fuel cell system mounted on an electric vehicle or the like includes this fuel cell, various tanks for storing hydrogen gas and air, a blower for supplying these gases to the fuel cell, a radiator for cooling the fuel cell, a fuel The battery is generally composed of a battery that stores electric power generated by the battery, a drive motor that is driven by the electric power, and the like.
図1で示すセパレータ8は、ガス流路を画成する溝条6がフラットな頂面61と、これに連続して、ガス拡散層4A、4B側に向かってガス流路幅が広くなるように傾斜したテーパー状の側面62,62と、から構成されており、この側面62と当接面7が連続するものである。
The
この当接面7には、その中央位置に、ガス拡散層4A,4Bとは反対側に突出する突起7aが設けられている。これは、燃料電池セル10にスタッキング時の押圧力が作用した際に当接面7をその突起7aに向かって変形させ、当接面7の幅を小さくする変位手段となるものである。
The
次に、図2を参照して、燃料電池セル10にスタッキング時の押圧力が作用した際に生じる力とこの力によってセパレータが変位するメカニズムを説明する。なお、カソード側のセパレータ8、ガス拡散層4Aを取上げて説明するが、これはアノード側にも同様に妥当するものである。
Next, with reference to FIG. 2, the force generated when the pressing force during stacking acts on the
図2aは、燃料電池セル10に対し、スタッキング時に押圧力が作用した際のセパレータ8、ガス拡散層4A、触媒層2Aの一部を拡大した図であり、図2bは、押圧力が作用した際に生じる力と変形を模擬した図である。
FIG. 2a is an enlarged view of a part of the
スタッキング時の押圧力Pは、セパレータの溝条6の頂面61や当接面7に作用する。
The pressing force P at the time of stacking acts on the
溝条6の頂面61に作用した押圧力Pは、ガス拡散層4Aに向かってテーパー状を成す側面62を介して軸力となり、当接面7に作用する。
The pressing force P acting on the
任意の当接面7には、その両側の溝条6,6の側面62,62から軸力が伝達され、この軸力は当接面7の中央に位置する突起7aに向う圧縮力Q,Qとなって該当接面7に作用する。
Axial force is transmitted to the arbitrary abutting
なお、便宜的に、ガス拡散層4Aのうち、当接面直下の領域をA1、溝条直下の領域をA2とエリア分けする。
For convenience, in the
当接面7に突起7aに向う圧縮力Q,Qが作用すると、突起7aは、その立ち勾配をより90度に近づけるようにして変形し、ガス拡散層4Aと反対側(図2bでは上方)にδだけ変位する。
When compressive forces Q, Q directed toward the
この変位により、当接面7は全体の幅が狭められ、ガス拡散層4Aの当接面直下の領域A1は、当接面7の変位に応じて摩擦力を介してその中央側に圧縮力を受けることとなる。
Due to this displacement, the entire width of the
当接面直下の領域A1が圧縮力を受けると、ガス拡散層4Aの溝条直下の領域A2は、その両側の当接面直下の領域A1から引張力T,Tを受けることとなる。
When the region A1 immediately below the contact surface receives a compressive force, the region A2 immediately below the groove of the
ガス拡散層4Aの溝条直下の領域A2がその両側から引張力T,Tを受けることにより、この領域において、その下面と触媒層2Aの間に生じ得る蛇行ライン(図5参照)が形成され難くなり、蛇行ラインの山と触媒層2Aの間で生じ得る隙間も形成され難くなる。
The region A2 directly below the groove of the
すなわち、当接面7に突起7aを設けただけの極めて簡易な構造変更により、上記する隙間の発生を効果的に抑止でき、該隙間による電気抵抗増やフラッディングの助成が効果的に抑止される。
That is, by the extremely simple structural change by simply providing the
図3は、本発明の燃料電池を構成する燃料電池セルの他の実施の形態の縦断面図である。 FIG. 3 is a longitudinal sectional view of another embodiment of the fuel cell constituting the fuel cell of the present invention.
この燃料電池セル10Aは、これを構成するセパレータ8Aの当接面7Aの中央位置に、断面欠損部7Aaを備えたものである。
This
詳細な力や変位のメカニズムの図示は省略するが、この断面欠損部7Aaを設けたことによっても、当接面7Aの両側から作用する圧縮力によって該当接面7Aが断面欠損部7Aaに向かって変形することができ、この変形によって摩擦力を介してガス拡散層4Aの当接面直下の領域に圧縮力を作用させることができ、これに起因して、ガス拡散層4Aの溝条直下の領域に引張力を作用させることができる。
Although detailed illustration of the mechanism of force and displacement is omitted, even when this cross-sectional defect portion 7Aa is provided, the
図4は、本発明の燃料電池を構成する燃料電池セルのさらに他の実施の形態の縦断面図である。 FIG. 4 is a longitudinal sectional view of still another embodiment of the fuel cell constituting the fuel cell of the present invention.
この燃料電池セル10Bは、溝条6と当接面7Bを剛性の異なる別素材から一体に形成してセパレータ8Bとしたものである。
In this
ここで、当接面7Bは、スタッキング時の押圧力によって生じた圧縮力が作用した際の変形を促進させるべく、溝条6に比して低剛性素材(低いヤング率の素材)から形成する。たとえば、溝条6をステンレス(SUS)から形成し、当接面7Bをチタンや、アルミニウムもしくはその合金から形成することができる。ここで、ステンレスのヤング率は200GPa程度、チタンのそれは110GPa程度、アルミニウムやその合金は70GPa程度である。
Here, the
当接面7Bを相対的に低剛性の素材から形成することによっても、当接面7Bの両側から作用する圧縮力によって該当接面7Bがその中央位置に向かって変形(弾性変形)することができ、この弾性変形によって摩擦力を介してガス拡散層4Aの当接面直下の領域に圧縮力を作用させ、ガス拡散層4Aの溝条直下の領域に引張力を作用させることができる。
Even when the
上記する本発明の燃料電池セル10,10A,10Bによれば、適宜の変位手段が設けられたセパレータ8,8A,8Bをそれらの構成部材とすることにより、スタッキング時の押圧力が作用した際に、触媒層との界面においてガス拡散層が蛇行するのを効果的に抑止することが可能となり、この蛇行によってできる隙間によって齎される電気抵抗増や水溜りによるフラッディングの助成といった問題を効果的に解消することができる。
According to the
以上、本発明の実施の形態を図面を用いて詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。 The embodiment of the present invention has been described in detail with reference to the drawings. However, the specific configuration is not limited to this embodiment, and there are design changes and the like without departing from the gist of the present invention. They are also included in the present invention.
1…電解質膜、2A,2B…触媒層、3…MEA、4A,4B…ガス拡散層(GDL)、5…膜電極接合体(MEGA)、6…溝条、61…頂面、62…側面、7,7A,7B…当接面、7a…突起、7Aa…断面欠損部、8,8A,8B…セパレータ、10,10A,10B…燃料電池セル、A1…当接面直下の領域、A2…溝条直下の領域、P…押圧力、Q…圧縮力、T…引張力
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Electrolyte membrane, 2A, 2B ... Catalyst layer, 3 ... MEA, 4A, 4B ... Gas diffusion layer (GDL), 5 ... Membrane electrode assembly (MEGA), 6 ... Groove, 61 ... Top surface, 62 ...
Claims (5)
前記当接面には、該当接面の両側の前記溝条から圧縮力が作用した際に、当接面の幅を小さくする変位手段を備えている、燃料電池。 A membrane electrode assembly comprising an electrolyte membrane, a catalyst layer disposed on both sides of the electrolyte membrane, and a gas diffusion layer disposed on both sides of the catalyst layer; and disposed on both sides of the membrane electrode assembly. The separator has a shape in which the groove that defines the gas flow path facing the gas diffusion layer and the contact surface that contacts the gas diffusion layer are alternately and continuously formed. Presenting a fuel cell,
The fuel cell, wherein the contact surface is provided with a displacement means for reducing the width of the contact surface when a compressive force is applied from the groove on both sides of the contact surface.
前記変位手段は、溝条に比して低剛性素材から形成された当接面である、請求項1に記載の燃料電池。 The groove and the contact surface are formed of materials having different rigidity with conductivity,
The fuel cell according to claim 1, wherein the displacing means is a contact surface formed of a low-rigidity material as compared with the groove.
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JP2008180582A JP2010021025A (en) | 2008-07-10 | 2008-07-10 | Fuel cell |
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Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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JP2017139218A (en) * | 2016-02-02 | 2017-08-10 | 本田技研工業株式会社 | Method of producing fuel cell stack and method of producing metal separator for fuel cell |
US10305135B2 (en) | 2016-02-02 | 2019-05-28 | Honda Motor Co., Ltd. | Method of producing fuel cell stack and method of producing metal separator for fuel cell |
CN114667619A (en) * | 2019-12-24 | 2022-06-24 | 丰田车体株式会社 | Separator for fuel cell |
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- 2008-07-10 JP JP2008180582A patent/JP2010021025A/en not_active Withdrawn
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