JP2012014940A - 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係り、詳しくは電極構造体の損傷を防止することができるとともに、電気抵抗を低減して、発電効率を向上することができる燃料電池用セパレータに関する。 The present invention relates to a fuel cell separator, and more particularly to a fuel cell separator that can prevent an electrode structure from being damaged, reduce electric resistance, and improve power generation efficiency.
固体高分子型の燃料電池は、図7に示すように、平板状の電極構造体11(MEA:Membran e・Electrode ・Asembly )の両側に正極(カソード)及び負極(アノード)のセパレータ16,17が積層された発電セル10を、複数積層して燃料電池のスタックとしている。前記電極構造体11は、正極(カソード)及び負極(アノード)を構成する一対のガス拡散型の正電極層14及び負電極層15の間にイオン交換樹脂等からなる電解質膜13が挟着された三層構造となっている。前記セパレータ16,17は、電極構造体11の両電極層14,15に接触され、両電極層14,15との間にガスを流通させる酸化ガス流路20及び燃料ガス流路27が形成されている。そして、例えば正電極層14に面するガス流路20に酸素や空気等の酸化性ガスを流し、負電極層15に面するガス流路27に燃料である水素ガスを流すことにより、電気化学反応が起こり、電気が発生する。(特許文献1参照)
前記セパレータ16,17を構成する基板35には、一対のリブ36とウェブ37とよりなる複数の突条部Tが成形されている。前記リブ36は基板35に対し傾斜角αだけ傾斜するように屈曲成形されている。各突条部Tの間には、ガス流路用溝18が形成され、該ガス流路用溝18の開口19が正電極層14によって閉塞されることによって前記ガス流路20が形成されている。
As shown in FIG. 7, the solid polymer type fuel cell has positive electrode (cathode) and negative electrode (anode)
A plurality of protrusions T each including a pair of
前記基板35に対してリブ36を傾斜させた理由は、正電極層14に対する当接部としてのウェブ37の接触面積を広くして通電を適正に行うとともに、ガス流路20の通路断面積も適正に確保するためである。リブ36を傾斜させるためには、成形装置を用いて精密コイニング加工が行われる。
The reason why the
ところが、図7に示すリブ36が傾斜したセパレータ16,17を用いた燃料電池においては、次のような問題が生じた。即ち、複数の発電セル10は、前記両電極層14,15とセパレータ16,17との接触界面の電気抵抗を低減するため、積層状態で、二枚の図示しないエンドプレートの間に所定の締付力で互いに押圧され、前記セパレータ16,17と両電極層14,15とのそれぞれの接触面が互いに圧接されている。そして、燃料電池が発電を行っているとき、電極構造体11のカソード側において、水素と酸素の電気化学反応によって水が生成され、この生成水の大半はガス流路20を流れる酸化(酸素)ガス流によって外部に排出される。残りの生成水は電極構造体11の内部に浸透し、ガス流路27に浸透水として浸入する。このため、電極構造体11が浸透した生成水によって膨張し、前記セパレータ16,17にP,Q矢印方向への押圧力が作用する。ところが、セパレータ16,17は剛性の高い例えばステンレス鋼板によって成形され、リブ36の傾斜角αが大きいので、P,Q矢印方向へ弾性変形されることは無い。従って、電極構造体11が反P,Q矢印方向への圧縮反力を受けることになり、電極構造体11が過度に圧縮されて損傷する恐れがあった。
However, in the fuel cell using the
又、例えば、燃料電池が低負荷で運転されている場合には、生成水の発生量も少なくなるので、電極構造体11に浸透する生成水も少なくなって、発電の際に生じる高温の熱によって電極構造体11が乾燥状態になる。すると、電極構造体11の正電極層14及び負電極層15が乾燥により収縮して厚みが減少するが、セパレータ16,17は変形しないので、電極構造体11とセパレータ16,17との接触面圧が弱くなり、両部材間の電気抵抗が増大し、発電効率が低下するという問題があった。
In addition, for example, when the fuel cell is operated at a low load, the amount of generated water is reduced, so that the amount of generated water that permeates the electrode structure 11 is also reduced, and the high-temperature heat generated during power generation is reduced. As a result, the electrode structure 11 becomes dry. Then, the
本発明は、上記従来の技術に存する問題点を解消して、電極構造体の損傷を防止することができるとともに、製造を容易に行い、発電効率を向上することができる燃料電池用セパレータ及びその製造方法を提供することにある。 The present invention eliminates the problems in the prior art described above, prevents damage to the electrode structure, facilitates production, and improves the power generation efficiency, and its separator It is to provide a manufacturing method.
上記問題点を解決するために、請求項1に記載の発明は、基板にリブとウェブとよりなる複数の突条部を平行に形成して、各突条部の間にガス流路用溝を形成した燃料電池用セパレータにおいて、前記突条部の左右一対のリブを前記基板からウェブに行くに従って間隔が大きくなるようにそれぞれ傾斜させ、前記リブに対し、前記ウェブが前記基板に接近する方向への外力を受けたとき、該両リブを弾性変形させる弾性変形許容部を設けたことを要旨とする。 In order to solve the above-mentioned problems, the invention according to claim 1 is characterized in that a plurality of protrusions formed of ribs and webs are formed in parallel on a substrate, and a gas channel groove is formed between the protrusions. In the fuel cell separator, the left and right pair of ribs of the protrusion are inclined so that the distance increases from the substrate to the web, and the web approaches the substrate with respect to the rib. The gist is that an elastic deformation allowing portion for elastically deforming both the ribs when receiving an external force is provided.
請求項2に記載の発明は、請求項1において、前記弾性変形許容部は、前記両リブに形成された薄肉部であることを要旨とする。
請求項3に記載の発明は、請求項1において、前記弾性変形許容部は、両リブに形成された蛇行状部であることを要旨とする。
The gist of the invention according to claim 2 is that, in claim 1, the elastic deformation allowing portion is a thin portion formed on the both ribs.
The invention according to claim 3 is summarized in that, in claim 1, the elastic deformation allowing portion is a meandering portion formed in both ribs.
請求項4に記載の発明は、請求項1において、前記弾性変形許容部は、前記両リブに部分的に形成された薄肉部であって、薄肉部以外の厚肉部は、突条の内側に形成された冷却水用溝側に隆起するように形成されていることを要旨とする。 According to a fourth aspect of the present invention, in the first aspect, the elastic deformation allowing portion is a thin portion that is partially formed on the ribs, and the thick portion other than the thin portion is an inner side of the ridge. The gist of the present invention is that it is formed so as to protrude toward the cooling water groove.
(作用)
請求項1〜4のいずれか1項に記載の発明は、突条部の一対のリブに弾性変形許容部が設けられているので、燃料電池の発電の際に、電極構造体に生成水が浸透して、該電極構造体が膨張し、ウェブが基板に接近する方向に押圧されても、弾性変形許容部によって前記リブが弾性変形する。このため、電極構造体の膨張が許容され、電極構造体に発生する内部応力が低減され、電極構造体の損傷が防止される。
(Function)
In the invention according to any one of claims 1 to 4, since the elastic deformation allowing portion is provided on the pair of ribs of the protruding portion, the generated water is generated in the electrode structure during power generation of the fuel cell. Even if the electrode structure expands and the web is pressed in the direction approaching the substrate, the rib is elastically deformed by the elastic deformation allowing portion. For this reason, expansion of the electrode structure is allowed, internal stress generated in the electrode structure is reduced, and damage to the electrode structure is prevented.
本発明によれば、電極構造体の損傷を防止することができるとともに、発電効率を向上することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, while being able to prevent damage to an electrode structure, electric power generation efficiency can be improved.
以下、本発明を具体化した燃料電池用セパレータの一実施形態を図1〜図3にしたがって説明する。
最初に、図2に基づいて、本実施形態のセパレータを用いた燃料電池について説明する。
Hereinafter, an embodiment of a fuel cell separator embodying the present invention will be described with reference to FIGS.
First, a fuel cell using the separator of this embodiment will be described with reference to FIG.
この燃料電池の発電セル10を構成する電極構造体11は、四角環状の枠体12と、該枠体12の内側に収容された固体高分子電解質膜13と、該固体高分子電解質膜13の表面に積層されたガス拡散電極としての正電極層14及び負電極層15とによって構成されている。前記枠体12及び正電極層14の表面には正極用のセパレータ16が当接され、前記枠体12及び負電極層15の表面には負極用のセパレータ17が当接される。この発電セル10が多数枚積層されて燃料電池スタックとして構成される。
An electrode structure 11 constituting the
前記正極用のセパレータ16の前記正電極層14に接触する面には、酸化ガス流路用溝18が上下方向に、かつ互いに平行に形成されている。この酸化ガス流路用溝18の開口19が前記正電極層14によって閉塞されることにより酸化ガス流路20が形成されている。前記セパレータ16の上部には酸素ガス供給孔21が形成され、該酸素ガス供給孔21から共通ガス流路22を通して酸素ガスが前記各酸化ガス流路20に分配供給されるようになっている。前記セパレータ16の下部には酸素ガス排出孔23が形成され、各酸化ガス流路20から発電に供された酸素オフガスが共通ガス流路24を通して酸素ガス排出孔23から排出されるようになっている。
On the surface of the
前記負極用のセパレータ17の前記負電極層15に接触する面には、燃料ガス流路用溝25が上下方向に、かつ互いに平行に形成されている。このガス流路用溝25の開口26が前記負電極層15によって閉塞されることにより燃料ガス流路27が形成されている。前記セパレータ17の上部には燃料ガス供給孔28が形成され、該燃料ガス供給孔28からガス流路(図示しないが前記共通ガス流路22参照)を通して燃料ガスが前記各燃料ガス流路27に分配供給されるようになっている。前記セパレータ17の下部には燃料ガス排出孔29が形成され、各燃料ガス流路27から発電に供された燃料オフガスが共通ガス流路(図示しないが前記共通ガス流路24参照)を通して燃料ガス排出孔29から排出されるようになっている。なお、前記枠体12には前記酸素ガス供給孔21及び燃料ガス供給孔28を連通する通路12aが形成され、前記酸素ガス排出孔23及び燃料ガス排出孔29を連通する通路12bが形成されている。
On the surface of the
次に、前記セパレータ16の構成について説明する。なお、一方のセパレータ17は、他方のセパレータ16と同様に構成されているので、構成の説明を省略する。この実施形態においては、図1において、セパレータ16のガス流路用溝18(酸化ガス流路20)の両側を左右とし、正電極層14側を上部、正電極層14から離れる側を下部とする。
Next, the configuration of the
図1に示すように、セパレータ16の基板35の左右両側縁には、リブ36が一体に、かつ上端(正電極層14側)ほど互いに間隔が大きくなるように傾斜状態に成形され、両リブ36の先端部間には、正電極層14に接触される平板状のウェブ37が一体に成形されている。前記両リブ36及びウェブ37によって基板35に複数の突条部Tが互いに平行に形成されている。各突条部Tの間に前記ガス流路用溝18が形成され、前記正電極層14によってガス流路用溝18の開口19が閉塞されることで、前記ガス流路用溝18が酸化ガス流路20に形成されている。
As shown in FIG. 1,
前記基板35に対するリブ36の傾斜角αは、例えば50°〜80°の範囲に設定され、この実施形態では70°に設定されている。前記基板35とリブ36の境界部38は、ガス流路用溝18の外側に膨らむ円弧状に成形されている。前記リブ36とウェブ37の境界部39は、ウェブ37の幅方向外側に膨らむ円弧状に成形されている。前記突条部Tの内側に形成された溝は、燃料電池の発電の際に冷却水を流すための冷却水用溝40として用いられる。
The inclination angle α of the
前記リブ36の薄肉部36aの板厚t1は、前記境界部38,39の板厚t2,t3寸法よりも薄く設定され、両リブ36全体が弾性変形許容部としての薄肉部36aとなっている。
The plate thickness t1 of the
図2に示すように、セパレータ16,17に形成された突条部Tは、図示が簡略化されている。突条部Tのリブ36及びウェブ37の両端開口部は、図3に示すように弾性変形が可能な薄い板厚の閉塞リブ361によって閉塞され、共通ガス流路22,24と冷却水用溝40とを区画している。なお、図3においては、セパレータ16に対し、前記冷却水用溝40に冷却水を循環供給する構成が施されるが、これは図示されていない。
As shown in FIG. 2, the protrusions T formed on the
上記実施形態の燃料電池用セパレータによれば、以下のような効果を得ることができる。
(1)上記実施形態では、図1に示すように、セパレータ16のリブ36に弾性変形を許容する薄肉部36aを形成した。このため、燃料電池の発電の際に、水素と酸素が反応してカソードの酸化ガス流路20に生成される生成水が電極構造体11に含浸されて電極構造体11が膨張しても問題が生じない。即ち、前記セパレータ16のウェブ37に突条部Tを圧縮するQ矢印方向に押圧力が作用したとき、前記薄肉部36aが弾性変形して、ウェブ37が下方に変位するので、正電極層14とウェブ37の接触面の面圧が増大するのを防止することができる。この結果、電極構造体11の内部に前記押圧力によって生じる内部応力を低減し、電極構造体11の損傷を防止することができる。
According to the fuel cell separator of the above embodiment, the following effects can be obtained.
(1) In the above embodiment, as shown in FIG. 1, the
(2)上記実施形態では、リブ36が薄肉部36aによって弾性変形されるので、燃料電池の低負荷の発電状態において、生成水の量が減少して、前記電極構造体11が乾燥状態となって、電極構造体11が収縮した場合には、リブ36の薄肉部36aが弾性変形してウェブ37が正電極層14に適正に押圧される。このため、正電極層14とウェブ37の接触面圧を適正に保持することができ、電気抵抗が増大するのを防止して、発電効率を向上することができる。
(2) In the above embodiment, since the
(3)上記実施形態では、図3に示すように、突条部Tの両端部の閉塞リブ361を薄肉にしたので、突条部Tの両端部における弾性変形を許容して、電極構造体11の膨張又は収縮に適正に対応することができる。
(3) In the above embodiment, as shown in FIG. 3, since the blocking
なお、上記実施形態は以下のように変更してもよい。
・図4(a)に示すように、図示しない成形装置を用いて、被加工材47に蛇行状部36bを成形する。その後、この被加工材47を成形装置を用いて成形し、図4(b)に示すようにセパレータ16を成形する。この実施形態の場合にも、前述した実施形態と同様の効果がある。
In addition, you may change the said embodiment as follows.
As shown in FIG. 4A, the meandering
・図5に示すように、前記両リブ36の境界部39側に薄肉部36aを部分的に形成し、薄肉部36a以外の厚肉部36cを、突条部Tの内側に形成された冷却水用溝40側に隆起するように形成してもよい。この場合には酸化ガス流路20の通路面積を低減することなく、薄肉部36a及び厚肉部36cを形成することができる。
-As shown in FIG. 5, the
・図6に示すように、前記ウェブ37の板厚寸法を、基板35及びリブ36の板厚寸法よりも大きくしてもよい。
As shown in FIG. 6, the thickness of the
T…突条部、18,25…ガス流路用溝、35…基板、36…リブ、36a…薄肉部、36b…蛇行状部、36c…厚肉部、37…ウェブ、40…冷却水用溝。 T ... ridge part, 18, 25 ... groove for gas flow path, 35 ... substrate, 36 ... rib, 36a ... thin part, 36b ... meandering part, 36c ... thick part, 37 ... web, 40 ... for cooling water groove.
Claims (4)
前記突条部の左右一対のリブを前記基板からウェブに行くに従って間隔が大きくなるようにそれぞれ傾斜させ、前記リブに対し、前記ウェブが前記基板に接近する方向への外力を受けたとき、該両リブを弾性変形させる弾性変形許容部を設けたことを特徴とする燃料電池用セパレータ。 In a fuel cell separator in which a plurality of ridges composed of ribs and webs are formed in parallel on a substrate, and gas channel grooves are formed between the ridges,
When the pair of left and right ribs of the ridge is inclined so that the interval increases from the substrate to the web, and the rib receives an external force in the direction in which the web approaches the substrate, A fuel cell separator comprising an elastic deformation allowing portion for elastically deforming both ribs.
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