JP2010055770A - Fuel cell separator and fuel cell using the same - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、燃料電池に関する。 The present invention relates to a fuel cell.
燃料電池は、一般に、電解質膜の両面に電極が配置された発電体である膜電極接合体を備え、膜電極接合体は、セパレータによって挟持される。セパレータは、導電性を有する板状部材で構成され、反応ガスや冷媒のための流体流路を有する(特許文献1等)。 A fuel cell generally includes a membrane electrode assembly that is a power generator in which electrodes are arranged on both surfaces of an electrolyte membrane, and the membrane electrode assembly is sandwiched between separators. A separator is comprised with the plate-shaped member which has electroconductivity, and has a fluid flow path for reaction gas or a refrigerant | coolant (patent document 1 etc.).
セパレータにおいては、流体流路によって、発電に供される発電領域における反応ガスや冷媒の配流性が向上されることが望まれるとともに、流体流路における流体のシール性が確保されることが望まれている。一方、燃料電池は、車両などの限られた空間に設置するために小型化・軽量化されることが要求されていうため、セパレータも、その構成がより簡易化され、小型化・軽量化されることが好ましい。しかし、これまでこうした要求に対して十分な工夫がなされてこなかったのが実情であった。 In the separator, it is desired that the flow characteristics of the reaction gas and the refrigerant in the power generation region used for power generation be improved by the fluid flow path, and that the fluid sealability in the fluid flow path be ensured. ing. On the other hand, since the fuel cell is required to be reduced in size and weight in order to be installed in a limited space such as a vehicle, the configuration of the separator is further simplified and reduced in size and weight. It is preferable. However, the reality is that until now there has not been enough ingenuity to meet these requirements.
本発明は、簡易な構成でセパレータによる燃料電池の流体の配流性を向上するとともに、流体のシール性を向上できる技術を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a technique capable of improving the fluid distribution of a fuel cell by a separator and improving the fluid sealing performance with a simple configuration.
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。 SUMMARY An advantage of some aspects of the invention is to solve at least a part of the problems described above, and the invention can be implemented as the following forms or application examples.
[適用例1]
燃料電池の発電体を挟持するための燃料電池用セパレータであって、2枚のプレートと、前記2枚のプレートに挟持される中間層形成部材とを備え、前記中間層形成部材には、少なくとも冷媒のための中間層流路が設けられ、前記2枚のプレートのうち少なくとも一方のプレートの外表面には、凹部として形成された反応ガスのためのプレート表面流路が設けられ、前記プレート表面流路は、前記発電体の発電部における前記反応ガスための流路である発電部ガス流路に接続するとともに、前記発電部ガス流路における前記反応ガスの流れ方向と交わる方向に沿って直線状に延びる直線流路溝を含む、燃料電池用セパレータ。
この燃料電池用セパレータによれば、直線流路溝によって直線流路溝が延びる方向に渡る反応ガスの配流性を向上するとともに、中間層流路とプレート表面流路との間のシール性を向上できる。
[Application Example 1]
A fuel cell separator for sandwiching a power generator of a fuel cell, comprising: two plates; and an intermediate layer forming member sandwiched between the two plates, wherein the intermediate layer forming member includes at least An intermediate layer flow path for the refrigerant is provided, and a plate surface flow path for the reactive gas formed as a recess is provided on the outer surface of at least one of the two plates, and the plate surface The flow path is connected to a power generation section gas flow path that is a flow path for the reaction gas in the power generation section of the power generation body, and is straight along a direction that intersects the flow direction of the reaction gas in the power generation section gas flow path. A fuel cell separator including a linear channel groove extending in a shape.
According to the fuel cell separator, the straight flow channel improves the flow characteristics of the reaction gas in the direction in which the straight flow channel extends, and also improves the sealing performance between the intermediate layer flow channel and the plate surface flow channel. it can.
[適用例2]
適用例1記載の燃料電池用セパレータであって、前記直線流路溝は、前記プレートをプレス加工することにより前記中間層形成部材側に突出させて形成されている、燃料電池用セパレータ。
この燃料電池用セパレータによれば、直線流路溝をプレス加工により容易に形成することが可能である。
[Application Example 2]
The fuel cell separator according to Application Example 1, wherein the straight channel groove is formed by protruding the plate toward the intermediate layer forming member by pressing the plate.
According to this fuel cell separator, it is possible to easily form the straight flow channel by press working.
[適用例3]
適用例1または適用例2記載の燃料電池用セパレータであって、前記反応ガスは、燃料ガスを含み、前記直線流路溝は、前記燃料ガスのための燃料ガス用直線流路溝を含む、燃料電池用セパレータ。
この燃料電池用セパレータによれば、燃料電池における燃料ガスの配流性及びシール性を容易に向上させることができる。
[Application Example 3]
The separator for a fuel cell according to Application Example 1 or Application Example 2, wherein the reaction gas includes a fuel gas, and the linear flow path groove includes a fuel gas straight flow path groove for the fuel gas. Fuel cell separator.
According to this fuel cell separator, it is possible to easily improve the flowability and sealing performance of the fuel gas in the fuel cell.
[適用例4]
適用例1ないし適用例3のいずれかに記載の燃料電池用セパレータであって、前記直線流路溝は、前記発電部ガス流路の上流側に設けられた前記反応ガスの供給のための供給用直線流路溝と、前記発電部ガス流路の下流側に設けられた前記反応ガスの排出のための排出用直線流路溝とを含み、前記プレート表面流路は、前記供給用直線流路溝と前記排出用直線流路溝との間において、前記中間層流路側に突出するように設けられた発電部プレート表面流路を含む、燃料電池用セパレータ。
この燃料電池用セパレータによれば、供給用及び排出用の直線流路溝により、直線流路溝の流路方向に渡る反応ガスの配流性を向上できる。また、発電部プレート表面流路により、発電部における反応ガスの配流性が向上する。さらに、発電部プレート表面流路を、中間層流路側へ突出させて中間層流路の一部を構成させることにより、中間層流路における流体の配流性を向上させることができる。
[Application Example 4]
4. The fuel cell separator according to any one of Application Examples 1 to 3, wherein the straight channel groove is a supply for supplying the reaction gas provided on the upstream side of the power generation unit gas channel. A straight flow channel groove for discharge and a straight flow channel groove for discharging the reaction gas provided on the downstream side of the power generation unit gas flow channel, and the plate surface flow channel includes the straight flow channel for supply A fuel cell separator including a power generation plate surface flow path provided so as to protrude toward the intermediate layer flow path between the road groove and the discharge straight flow path groove.
According to this fuel cell separator, the supply and discharge straight flow channel grooves can improve the flow characteristics of the reaction gas in the flow channel direction of the straight flow channel. Moreover, the flow distribution property of the reaction gas in the power generation section is improved by the power generation section plate surface flow path. Furthermore, the flow distribution property of the fluid in the intermediate layer flow path can be improved by projecting the power generation unit plate surface flow path to the intermediate layer flow path side to constitute a part of the intermediate layer flow path.
[適用例5]
適用例4記載の燃料電池用セパレータであって、前記発電部プレート表面流路は、ディンプル形状である、燃料電池用セパレータ。
この燃料電池用セパレータによれば、ディンプルの配置構成により、より容易に流体の配流性を向上することができる。
[Application Example 5]
The fuel cell separator according to application example 4, wherein the power generation plate surface flow path has a dimple shape.
According to this fuel cell separator, the fluid distribution can be more easily improved by the arrangement of the dimples.
[適用例6]
燃料電池であって、適用例1ないし適用例5のいずれかに記載の燃料電池用セパレータを備える、燃料電池。
[Application Example 6]
A fuel cell, comprising the fuel cell separator according to any one of Application Examples 1 to 5.
A.第1実施例:
図1は本発明の一実施例としての燃料電池の構成を示す概略図である。この燃料電池1000は、反応ガスとして水素と酸素との供給を受けて発電を行う固体高分子型燃料電池である。なお、燃料電池1000としては、固体高分子型燃料電池でなくとも良く、任意の種々のタイプの燃料電池に本発明を適用することが可能である。
A. First embodiment:
FIG. 1 is a schematic diagram showing the configuration of a fuel cell as an embodiment of the present invention. The
燃料電池1000は、複数の膜電極接合体100と、セパレータ200とが交互に積層されたスタック構造を有する。セパレータ200は、カソードプレート210とアノードプレート220と、2つのプレート210,220に挟持される中間プレート230とで構成される。膜電極接合体100及びセパレータ200の積層体は、その積層方向から2枚のエンドプレート401,402によって挟持され、締結部材403によって2枚のエンドプレート401,402を介して積層方向に荷重を受けて締結される。
The
図2(A)は、膜電極接合体100の構成を示す概略図であり、カソード側の面を示している。なお、膜電極接合体100のアノード側の面の構成はカソード側の面と同様であるため、図示及び説明は省略する。膜電極接合体100は、略長変形の部材であり、発電に供される発電部110と発電部110の外周に成形された流体の漏洩を防止するためのシールガスケット120とを有する。
FIG. 2A is a schematic view showing the configuration of the
シールガスケット120には、反応ガス及び冷媒のための8個のマニホールド孔M1,M2,M3a,M3b,M4a,M4b,M5,M6が貫通孔として設けられている。具体的には以下の構成となる。水素供給用のマニホールド孔M1と水素排出用のマニホールド孔M2とはそれぞれ、発電部110を挟んで膜電極接合体100の対角する位置に設けられている。冷媒供給用のマニホールド孔M5と冷媒排出用のマニホールド孔M6とはそれぞれ、発電部110を挟んで対向する各短辺に沿って設けられている。また、2つの酸素供給用マニホールド孔M3a,M3bと、2つの酸素排出用マニホールド孔M4a,M4bとは、発電部110を挟んで対向する各長辺に沿って2つずつ並列に設けられている。なお、水素供給用のマニホールド孔M1と酸素排出用のマニホールド孔M4a,M4bとが同じ長辺の側に設けられており、水素排出用のマニホールド孔M2と酸素供給用のマニホールド孔M3a,M3bとが同じ長辺の側に設けられている。
The
さらに、シールガスケット120の外表面には、流体の漏洩を防止するためのシールラインSL(図中に二条線で図示)が設けられている。具体的には、シールラインSLは、各マニホールド孔M1,M2,M3a,M3b,M4a,M4b,M5,M6と発電部110とを囲むように設けられている。なお、各マニホールド孔M1,M2,M3a,M3b,M4a,M4b,M5,M6及びシールラインSLの構成は他の構成であっても良い。
Further, a seal line SL (illustrated by two lines in the figure) for preventing fluid leakage is provided on the outer surface of the
図2(B)は、図2(A)に示すB−B切断における膜電極接合体100の断面図である。発電部110は、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を示す固体高分子の薄膜である電解質膜10を有する。電解質膜10の外表面にはそれぞれ電極21,22(カソード21及びアノード22)が配置されている。各電極21,22の電解質膜10と接する面側には燃料電池反応を促進するための触媒(例えば白金)が担持された触媒層(図示せず)が形成されている。一方、各電極21,22の電解質膜10と接しない面側には、反応ガスを電極面の全体に行き渡らせるためのガス拡散層(図示せず)が形成されている。2つの電極21,22は、例えば、カーボンペーパによって構成することができる。
FIG. 2B is a cross-sectional view of the
電解質膜10の外周端部10eは、2つの電極21,22の外周端部21e,22eより突出しており、シールガスケット120は、各外周端部10e,21e,22eを被覆するように成形されている。この構成により、電極端部21e,22eにおいて、反応ガスが供給された電極とは反対側の電極へと燃料電池反応に供されることなく移動してしまうクロスリークの発生が抑制される。なお、シールガスケット120の外表面に設けられたシールラインSLは、シールガスケット120の外表面の突起部121(リップ121)として形成されている。
The outer
図3(A),(B)は、セパレータ200のカソードプレート210の構成を示す概略図である。図3(A)は、アノードプレート220と接する面(以後、「アノード面」と呼ぶ)を示しており、図3(B)は、膜電極接合体100のカソード21と対向する面(以後、「カソード面」と呼ぶ)を示している。なお、図3(A),(B)には、燃料電池1000を積層方向に沿って見たときに、膜電極接合体100の発電部110(図2(A))と重なる領域を一点破線で図示してある。以後、この領域を「発電領域EA」と呼ぶ。また、図3(B)には、燃料電池1000として組み付けられたときに、カソード面上に形成されるシールラインSLを破線で図示してある。
3A and 3B are schematic views illustrating the configuration of the
カソードプレート210は、膜電極接合体100とほぼ同サイズの略長辺形の導電性を有する板状部材である。カソードプレート210は、例えば金属薄板によって構成できる。カソードプレート210には、膜電極接合体100と同様にマニホールド孔M1,M2,M3a,M3b,M4a,M4b,M5,M6が形成されている。
The
カソードプレート210の酸素用の各マニホールド孔M3a,M3b,M4a,M4bの近傍には、複数の貫通孔が一列に配列された2つの貫通孔列P1,P2が設けられている。第1の貫通孔列P1は、酸素供給用のマニホールド孔M3a,M3bと発電領域EAとの間に設けられており、第2の貫通孔列P2は、酸素排出用のマニホールド孔M4a,M4bと発電領域EAとの間に設けられている。なお、各貫通孔列P1,P2は、燃料電池1000として組み付けられたときに、膜電極接合体100のシールガスケット120に設けられたシールラインSLによって囲まれる領域であって、発電部110が配置される領域と同じ領域内に配置される。
In the vicinity of each of the oxygen manifold holes M3a, M3b, M4a, and M4b of the
図4は、セパレータ200のアノードプレート220の構成を示す概略図である。図4(A)は、膜電極接合体100のアノード22と対向する面(以後、「アノード面」と呼ぶ)を示しており、図4(B)は、カソードプレート210と接する面(以後、「カソード面」と呼ぶ)を示している。図4(A),(B)は、貫通孔列P1,P2に換えて2つの直線流路溝221a,221bが設けられている点と、発電領域EA内にディンプル226が設けられている点以外は図3(A),(B)とほぼ同じである。なお、図4(A),(B)には、燃料電池1000を積層方向に沿って見たときにカソードプレート210の貫通孔列P1,P2と重なる領域(以後、「貫通孔列P1,P2の形成領域」と呼ぶ)を破線で図示してある。また、図4(B)には、燃料電池1000として組み付けられたときに、アノード面上に形成されるシールラインSLを破線で図示してある。
FIG. 4 is a schematic diagram showing the configuration of the
2つの直線流路溝221a,221bは、アノードプレート220をプレス加工によってカソード面側に突出させることにより設けられた直線上の溝である。第1の直線流路溝221aは、第1の貫通孔列P1よりプレート中央側において発電領域EAの長辺方向に渡って延びており、その一端が水素供給用マニホールド孔M1と連結している。一方、第2の直線流路溝221bは、第2の貫通孔列P2よりプレート中央側において発電領域EAの長辺方向に渡って延びており、その一端が水素排出用マニホールド孔M2と連結している。
The two
2つの直線流路溝221a,221bの間には、ディンプル226が、2つの直線流路溝221a,221bと同様に、アノードプレート220をプレス加工によってカソード面側に突出させることにより設けられている。ここで、本明細書中では、基準となる平面に連続して配列された複数の凸部又は凹部を「ディンプル」と呼ぶ。特に、凸部により構成されるディンプルを「凸ディンプル」と呼び、凹部により構成されるディンプルを「凹ディンプル」と呼ぶ。即ち、ディンプル226は、アノード面側から見たときには(図4(A))、凹ディンプルを構成し、カソード面側から見たときには(図4(B))、凸ディンプルを構成する。なお、図4(A),(B)では、ディンプル226は、アノードプレート220の面に対して垂直な方向から見たときに略円形状を有する複数の凸部(凹部)を発電領域EA内において四方に略等間隔に配列することにより形成されている。
A
図4(C)は、図4(A)に示すC−C切断におけるアノードプレート220の断面を示す概略図である。図4(C)には、セパレータ200を構成したときに配置されるカソードプレート210を破線で図示してある。このように、ディンプル226の各凹部の底面と2つの流路溝221a,221bの底面とはカソードプレート210のアノード面と直接的に接する。
FIG. 4C is a schematic diagram showing a cross section of the
図5は、中間プレート230の構成を示す概略図である。図5は、アノードプレート220と当接する面(以後、「アノード面」と呼ぶ)を示している。図5には、セパレータ200を構成したときに、カソードプレート210の貫通孔列P1,P2及びアノードプレート220のディンプル226が配置される領域を破線で図示してある。なお、中間プレート230のカソードプレート210と当接する面(以後、「カソード面」と呼ぶ)の構成は、アノード面と同様であるため、図示及び説明は省略する。
FIG. 5 is a schematic view showing the configuration of the
中間プレート230は、上述の2つのプレート210,220とほぼ同サイズを有する略長辺形の樹脂部材であり、2つのプレート210,220と同様に各マニホールド孔M1,M2,M3a,M3b,M4a,M4b,M5,M6が設けられている。中間プレート230は、例えばラミネートフィルムによって構成することができる。なお、中間プレート230は、樹脂部材以外の部材、例えば、金属薄板によって構成することもできる。
The
中間プレート230には、酸素用の各マニホールド孔M3a,M3b,M4a,M4bから発電領域EAに向かって延びる複数の並列な櫛歯状の貫通溝である酸素用連結流路231a,231bが設けられている。酸素用連結流路231aは、セパレータ200を構成したときに、カソードプレート210に設けられた貫通孔列P1の各貫通孔と連結して酸素の供給用流路を構成する。酸素用連結流路231bは、セパレータ200を構成したときに、カソードプレート210に設けられた貫通孔列P2の各貫通孔と連結して酸素の排出用流路を構成する。
The
また、中間プレート230には、セパレータ200を構成したときに、アノードプレート220の2つの直線流路溝221a,221bをそれぞれ収容するための貫通溝233a,233bが設けられている。以後、この貫通溝233a,233bを「水素流路用貫通溝233a,233b」と呼ぶ。さらに、中間プレート230には、冷媒供給用のマニホールド孔M5と冷媒排出用のマニホールド孔M6とを連結する貫通窓部235が形成されている。貫通窓部235は、セパレータ200を構成したときにアノードプレート220のディンプル226が収容される。
In addition, the
図6は、燃料電池1000の組み付け工程を示す模式図である。図6には、各プレート210,220,230と、膜電極接合体100と、ガス流路部材500のそれぞれについて、図5に示すA−A切断に相当する切断面における概略断面図が示されている。
FIG. 6 is a schematic diagram showing an assembly process of the
カソードプレート210及びアノードプレート220によって中間プレート230が挟持されてセパレータ200が構成される。このとき、アノードプレート220の2つの直線流路溝221a,221bは中間プレート230の水素流路用貫通溝233a,233bに嵌合し、アノードプレート220の凸ディンプル226は、中間プレート230の貫通窓部235に収容される。
The
また、膜電極接合体100は、セパレータ200によって挟持されるが、この際に、各電極21,22とセパレータ200との間には、ガス流路部材500が配置される。このガス流路部材500は、発電領域EAに供給された反応ガスを各電極21,22の全面に行き渡らせるためのガス流路として機能する部材である。ガス流路部材500は、導電性を有しており、カソード21とカソードプレート210との間の導電パスとしても機能する。ガス流路部材500は、焼結金属などの導電性多孔質部材によって構成することもできるし、例えば、いわゆるメッシュやエキスパンドメタル、パンチングメタルなどの金属加工部材によって構成することもできる。
Further, the
図7(A)は、図5に示すA−A切断に相当する切断面における燃料電池1000の一部概略断面図を示しており、酸素の流れを矢印で示してある。酸素供給用のマニホールド孔M3a,M3bから供給された酸素の一部は、中間プレート230の酸素用連結流路231aへと流入する。酸素用連結流路231aに流入した酸素は、カソードプレート210の貫通孔列P1の各貫通孔を介して、膜電極接合体100のカソード側に配置されたガス流路部材500へと流入する。酸素は、ガス流路部材500及びカソード21のガス拡散層(図示せず)によってカソード21の全面に行き渡り、燃料電池反応に供される。燃料電池反応に供されることのなかった酸素及び燃料電池反応によって生成された水分を含むカソード排ガスは、ガス流路部材500からカソードプレート210の貫通孔列P2の各貫通孔を介して中間プレート230の酸素用連結流路231bへと流れる。その後、カソード排ガスは、酸素排出用マニホールド孔M4a,M4bへと流出し、燃料電池1000の外部へと排出される。
FIG. 7A shows a partial schematic cross-sectional view of the
図7(B)は、図5に示すB−B切断に相当する切断面における燃料電池1000の一部概略断面図を示している。図7(B)には、冷媒の流れを矢印で示してある。冷媒供給用マニホールド孔M5から供給された冷媒の一部は、中間プレート230の貫通窓部235へと流入し、発電領域EAへと流れる。冷媒は、発電領域EAにおいて、ディンプル226を構成する各凸部の間をすり抜けて、燃料電池反応によって生じた熱を伴って、冷媒排出用マニホールド孔M6へと流出し、燃料電池1000の外部へと排出される。即ち、アノードプレート220のディンプル226は、カソードプレート210とアノードプレート220との間のスペーサとして機能するとともに、発電領域EAにおける冷媒の流路として機能する。また、ディンプル226は、発電電気の導電パスとしても機能している。
FIG. 7B shows a partial schematic cross-sectional view of the
図8(A),(B)は、燃料電池1000における水素の流れを説明するための模式図である。図8(A)は、膜電極接合体100のアノード面側を示す図2(A)と同様な概略図である。図8(A)には、燃料電池1000の積層方向に沿って見たときに、セパレータ200の直線流路溝221a,221bと重なる領域を破線で示してあり、電極面に沿った方向における水素の流れを矢印で図示してある。図8(B)は、図8(A)に示すB−B切断における燃料電池1000の概略断面図であり、酸素の流れを示す矢印に換えて水素の流れを示す矢印が示されている点以外は、図7(A)とほぼ同じである。
8A and 8B are schematic diagrams for explaining the flow of hydrogen in the
水素供給用のマニホールド孔M1から供給された水素の一部は、アノードプレート220の直線流路溝221aを介してシールラインSLを跨いで発電領域EA(発電部110)へと流入する。直線流路溝221aにおいて水素は発電領域EAの長辺方向に渡って行き渡る(図8(A))。直線流路溝221aの水素は、膜電極接合体100のアノード側に配置されたガス流路部材500へと流入し、ガス流路部材500やディンプル226、アノード22のガス拡散層(図示せず)によってアノード22の全面に行き渡り、燃料電池反応に供される(図8(B))。燃料電池反応に供されることのなかった水素を含むアノード排ガスは、ガス流路部材500から排出側の直線流路溝221bを介して水素排出用マニホールド孔M2へと至り、燃料電池1000の外部へと排出される。
Part of the hydrogen supplied from the manifold hole M1 for supplying hydrogen flows into the power generation area EA (power generation unit 110) across the seal line SL via the straight
ここで、通常、発電領域における反応ガスの供給量は、供給用のマニホールド孔に近い領域ほど多くなる傾向にある。しかし、この燃料電池1000では、発電領域EAの上流側及び下流側にそれぞれ、アノード側の発電部110に配置されたガス流路部材500に接続する2つの直線流路溝221a,221bが設けられている。2つの直線流路溝221a,221bはそれぞれ、発電領域の長辺方向(即ち、各マニホールド孔M1,M2のそれぞれから、発電領域EAを挟んで対向する側へ向かう方向)に渡って延びており、ガス流路部材500より流路抵抗が小さい。そのため、水素は、直線流路溝221a,221bにより発電領域EAの長辺方向に行き渡るとともに、ガス流路部材500及びアノード22のガス拡散層に流入する。ガス流路部材500及びアノード22のガス拡散層においては、水素は全体として、発電領域EAの短辺方向に沿った方向に流れる。即ち、直線流路溝221a,221bによって発電領域EAの長辺方向における水素の流量分布は不均一となることが抑制され、水素の配流性が向上する。なお、直線流路溝221a,221bにおける水素の流れ方向は、発電領域EAにおける水素の全体の流れ方向と交わる方向である。
Here, normally, the amount of reactant gas supplied in the power generation region tends to increase as the region is closer to the supply manifold hole. However, in this
図9(A)は、図8(B)の酸素排出用マニホールド孔M4a,M4bの近傍を拡大して示す概略断面図である。図9(B)は、本発明の比較例としての燃料電池1000aを示しており、図9(A)に示される切断部位に相当する比較例の燃料電池1000aの切断部位を示す一部概略断面図である。この比較例の燃料電池1000aは、アノードプレート220aの構成が異なる点以外は、本実施例の燃料電池1000と同様である。
FIG. 9A is an enlarged schematic cross-sectional view showing the vicinity of the oxygen discharge manifold holes M4a and M4b in FIG. 8B. FIG. 9 (B) shows a
比較例のアノードプレート220aには、2つの直線流路溝221a,221b(図8(B))に換えて貫通孔222a,222bが設けられている(なお、貫通孔222bについては図示が省略されている)。このような構成であっても、水素用のマニホールド孔M1,M2はそれぞれ、中間プレート230の水素流路用貫通溝233a,233b及びアノードプレート220aの貫通孔222a,222bを介して発電領域EAのアノード22と連通する。従って、本実施例の燃料電池1000と同様な水素の経路が構成される。
The
ところで、流体流路が形成されるセパレータでは、一般に、流体に対するシール性が確保されることが好ましい。しかし、比較例の燃料電池1000aでは、水素流路用貫通溝233a,233bの周辺においては、カソードプレート210及びアノードプレート220と中間プレート230との間の接触面CSにより各流体がシールされているのみである(図9(B))。一方、本実施例の燃料電池1000では、直線流路溝221a,221bの流路壁が、アノードプレート220のプレート面によって構成されている。即ち、本実施例のセパレータ200の方が、比較例のセパレータ200aより、各流体間のシール性が向上している。
By the way, in the separator in which the fluid flow path is formed, it is generally preferable that the sealing performance against the fluid is ensured. However, in the
また、流体流路を有するセパレータは、一般に、流体の配流性の低下を抑制するために、製造誤差などによる流体流路の変形が抑制されることが好ましい。さらに、セパレータは、燃料電池を小型化・軽量化するために、より簡易な構成で、小型化・軽量化されることが好ましい。 Moreover, in general, a separator having a fluid flow path preferably suppresses deformation of the fluid flow path due to a manufacturing error or the like in order to suppress a decrease in fluid flowability. Furthermore, it is preferable that the separator be reduced in size and weight with a simpler configuration in order to reduce the size and weight of the fuel cell.
ここで、比較例の燃料電池1000aでは、水素流路用貫通溝233a,233bを構成する溝壁面は中間プレート230を構成する樹脂部材である(図9(B))。従って、比較例のセパレータ200aにおいて、水素流路用貫通溝233a,233bの変形を抑制するためには、水素流路用貫通溝233a,233bの溝壁面の厚みT1,T2を増大させることにより、その剛性を増大させることが好ましい。しかし、水素流路用貫通溝233a,233bの溝壁面の厚みT1,T2を増大させると、セパレータ200a自体の大型化につながる可能性がある。また、中間プレート230を金属などの剛性が高い部材で構成した場合には、セパレータの重量が増加してしまう可能性がある。
Here, in the
一方、本実施例の燃料電池1000では、直線流路溝221a,221bの流路壁面が、アノードプレート220のプレート面によって構成されている。従って、直線流路溝221a,221bの流路壁面は、比較例の水素流路用貫通溝233a,233bの溝壁面より剛性が高く、流体流路の変形がより抑制されている。また、本実施例のセパレータ200の構成によれば、直線流路溝221a,221bの流路壁面の剛性を維持しつつ、比較例より水素流路用貫通溝233a,233bの溝壁面の厚みT1,T2を減少させることも可能である。従って、セパレータ200を比較例のセパレータ200aより小型化することが可能であり、これを用いた燃料電池を小型化することが可能となる。
On the other hand, in the
このように、本実施例のセパレータ200によれば、より簡易な構成で、セパレータによる燃料電池内の流体の配流性を向上させることができるとともに、当該流体に対するシール性を向上することができる。
As described above, according to the
B.第2実施例:
図10(A)〜(C)は、本発明の第2実施例としてのセパレータ200Bを構成するアノードプレート220Bの構成を示す概略図である。図10(A)〜(C)は、外周凸部228が追加されている点と、外周凸部228の追加に伴い外周が拡大している点以外は、図4(A)〜(C)とほぼ同じである。なお、本実施例のセパレータ200Bを用いた燃料電池の他の構成は第1実施例と同様である(図1)。
B. Second embodiment:
FIGS. 10A to 10C are schematic views showing the configuration of an
外周凸部228は、プレス加工によってカソード面側に突出させることによって設けられた凸部である。外周凸部228は、アノードプレート220Bの外周縁部に設けられており、各マニホールド孔M1,M2,M3a,M3b,M4a,M4b,M5,M6を囲むように周状に形成されている。外周凸部228は、他のカソード面側に突出している直線流路溝221a,221b及びディンプル226と同程度に突出している。
The outer periphery
図11は、第2実施例のセパレータ200Bを用いた燃料電池1000Bを示す概略図であり、図9(A)と同様な一部概略断面図である。セパレータ200Bのカソードプレート210Bは、アノードプレート220Bと同様に外周が拡大されている点以外は、第1実施例のカソードプレート210(図3)と同じである。また、セパレータ200Bの中間プレート230Bは、アノードプレート220Bの外周凸部228の内周に収容されるように、その外周が縮小されている点以外は、第1実施例の中間プレート230(図5)と同じである。なお、カソードプレート210Bとアノードプレート220Bとは、外周凸部228においてロウ付け接合されることにより一体化されることが好ましい。
FIG. 11 is a schematic view showing a
このように、第2実施例の燃料電池1000Bによれば、セパレータ200Bの外周縁に設けられた外周凸部228によって、セパレータ200Bから燃料電池1000Bの外部に流体が漏洩することを抑制できる。また、外周凸部228によってアノードプレート220Bの剛性を向上させることができ、その歪みを抑制できる。従って、アノードプレート220Bの変形により、燃料電池1000Bにおける流体に対するシール性が低下することを抑制できる。
As described above, according to the
C.変形例:
なお、この発明は上記の実施例や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おいて実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
C. Variation:
The present invention is not limited to the above-described examples and embodiments, and can be implemented in various modes without departing from the gist thereof. For example, the following modifications are possible.
C1.変形例1:
上記実施例において、直線流路溝221a,221bは、セパレータの長辺方向、即ち、発電領域EAにおける反応ガスの流れ方向に対してほぼ垂直な方向に延びていた。しかし、直線流路溝221a,221bの流路方向は、他の方向であるとしても良く、発電領域EAにおける反応ガスの流れ方向と交わる方向であれば良い。
C1. Modification 1:
In the above embodiment, the straight
また、2つの直線流路溝221a,221bはそれぞれ、発電領域EAの上流側と下流側とに設けられていた。しかし、2つの直線流路溝221a,221bは少なくともいずれか一方が設けられていれば良い。但し、供給用と排出用の2つの直線流路溝221a,221bを両方設けることにより、より流体の配流性を向上させることが可能である。
Further, the two straight
C2.変形例2:
上記実施例において、直線流路溝221a,221bや、ディンプル226により形成されるアノードプレート220の外表面に形成される水素流路は、アノードプレート220をプレス加工することにより設けられていた。しかし、アノードプレート220をプレス加工することなく、アノードプレート220の外表面にエッチング加工などを施すことにより、アノードプレート220の外表面に水素流路を薄肉溝として形成するものとしても良い。
C2. Modification 2:
In the above embodiment, the hydrogen flow paths formed on the outer surface of the
C3.変形例3:
上記実施例において、アノードプレート220,220Bにはディンプル226が設けられていたが、ディンプル226は省略されるものとしても良い。この場合には、中間プレート230,230Bの貫通窓部235に冷媒流路及び導電パスを構成するための冷媒流路部材が配置されることが好ましい。なお、ディンプル226を上記実施例のようにアノードプレート220,220Bに形成すれば、冷媒の配流性を向上させることができ、燃料電池の冷却効率を向上させることができる。また、カソードプレート210,210Bとアノードプレート220,220Bとの間で直接的に発電電気を導電させることができるためセパレータによる集電効率を向上させることができる。さらに、冷媒流路部材を省略可能であるため、セパレータの軽量化や、その製造コスト増大の抑制が可能である。
C3. Modification 3:
In the above embodiment, the
なお、ディンプル226は、他の配置構成を有する凸部や、他の形状を有する凸部により形成されていても良い。例えば、複数の凸部が千鳥状に配置されていても良いし、凸部が流体の流れ方向に並列に設けられた流路壁(流路溝)として形成されるものとしても良い。上記実施例のセパレータ200,200Bによれば、ディンプル226の形状や配置を変更することにより容易に水素や冷媒の配流性を向上させることが可能である。
The
C4.変形例4:
上記実施例において、直線流路溝221a,221b及びディンプル226はアノードプレート220,220Bに設けられていたが、カソードプレートに設けられるものとしても良い。
C4. Modification 4:
In the above embodiment, the straight
C5.変形例5:
上記実施例において、ガス流路部材500や電極21,22におけるガス拡散層は省略されるものとしても良い。この場合には、セパレータ200のディンプル226が形成された部位を電極側に突出させ、電極とディンプル226の形成部位とを直接的に接触させて反応ガスのための流路及び発電電気の導電パスを形成するものとしても良い。
C5. Modification 5:
In the above embodiment, the gas diffusion layer in the gas
C6.変形例6:
上記第2実施例において外周凸部228は、周状の凸部として形成されていたが、ディンプルとして形成されるものとしても良い。また、外周凸部228は、カソードプレート210に設けられるものとしても良い。
C6. Modification 6:
In the second embodiment, the outer circumferential
10…電解質膜
10e…外周端部
21,22…電極
21e,22e…電極端部
100…膜電極接合体
110…発電部
120…シールガスケット
121…リップ
200,200a,200B…セパレータ
210,210B…カソードプレート
220,220a,220B…アノードプレート
221a,221b…直線流路溝
222a,222b…貫通孔
226…ディンプル
228…外周凸部
230,230B…中間プレート
231a,231b…酸素用連結流路
233a,233b…水素流路用貫通溝
235…貫通窓部
401,402…エンドプレート
403…締結部材
500…ガス流路部材
1000,1000a,1000B…燃料電池
CS…接触面
EA…発電領域
M1,M2,M3a,M3b,M4a,M4b,M5,M6…マニホールド孔
P1,P2…貫通孔列
SL…シールライン
DESCRIPTION OF
Claims (6)
2枚のプレートと、
前記2枚のプレートに挟持される中間層形成部材とを備え、
前記中間層形成部材には、少なくとも冷媒のための中間層流路が設けられ、
前記2枚のプレートのうち少なくとも一方のプレートの外表面には、凹部として形成された反応ガスのためのプレート表面流路が設けられ、
前記プレート表面流路は、前記発電体の発電部における前記反応ガスための流路である発電部ガス流路に接続するとともに、前記発電部ガス流路における前記反応ガスの流れ方向と交わる方向に沿って直線状に延びる直線流路溝を含む、燃料電池用セパレータ。 A fuel cell separator for sandwiching a power generator of a fuel cell,
Two plates,
An intermediate layer forming member sandwiched between the two plates,
The intermediate layer forming member is provided with an intermediate layer flow path for at least a refrigerant,
On the outer surface of at least one of the two plates, a plate surface flow path for the reaction gas formed as a recess is provided,
The plate surface flow path is connected to a power generation section gas flow path that is a flow path for the reaction gas in the power generation section of the power generation body, and intersects with the flow direction of the reaction gas in the power generation section gas flow path. A separator for a fuel cell, comprising a straight flow channel extending linearly along the fuel cell.
前記直線流路溝は、前記プレートをプレス加工することにより前記中間層形成部材側に突出させて形成されている、燃料電池用セパレータ。 The fuel cell separator according to claim 1,
The straight channel groove is a fuel cell separator formed by pressing the plate so as to protrude toward the intermediate layer forming member.
前記反応ガスは、燃料ガスを含み、
前記直線流路溝は、前記燃料ガスのための燃料ガス用直線流路溝を含む、燃料電池用セパレータ。 The fuel cell separator according to claim 1 or 2,
The reaction gas includes a fuel gas,
The fuel cell separator, wherein the straight channel groove includes a fuel gas straight channel for the fuel gas.
前記直線流路溝は、前記発電部ガス流路の上流側に設けられた前記反応ガスの供給のための供給用直線流路溝と、前記発電部ガス流路の下流側に設けられた前記反応ガスの排出のための排出用直線流路溝とを含み、
前記プレート表面流路は、前記供給用直線流路溝と前記排出用直線流路溝との間において、前記中間層流路側に突出するように設けられた発電部プレート表面流路を含む、燃料電池用セパレータ。 A fuel cell separator according to any one of claims 1 to 3,
The linear flow channel groove is provided on the upstream side of the power generation unit gas flow channel for supply of the reaction gas, and the linear flow channel groove is provided on the downstream side of the power generation unit gas flow channel. A straight flow channel for discharge for discharge of the reaction gas,
The plate surface flow path includes a power generation plate surface flow path provided so as to protrude toward the intermediate layer flow path between the supply straight flow path groove and the discharge straight flow path groove. Battery separator.
請求項1ないし請求項5のいずれかに記載の燃料電池用セパレータを備える、燃料電池。 A fuel cell,
A fuel cell comprising the fuel cell separator according to any one of claims 1 to 5.
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