JP2013110058A - Separator for fuel cell - Google Patents

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gas flow
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Hiroki Okabe
裕樹 岡部
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To restrain drying of an electrolyte membrane in an exit region of off-gas in a fuel cell having a membrane electrode assembly.SOLUTION: An anode-side separator 100 comprises: serpentine type gas passages 40, 42, 44, 46, 48; a water storage part 44e; an exit buffer part 50; a partition wall 52; an anode off-gas introduction passage 60; and an anode off-gas discharging part 70. The water storage part 44e is branched from the gas passage 48 and connected, and branches and introduces some of hydrogen flowing in the gas passage 48 and temporarily stores water contained in the introduced hydrogen. The water storage part 44e is provided adjacent perpendicularly above the exit buffer part 50 at a portion opposed to an anode of the membrane electrode assembly. The water storage part 44e is formed so that the stored water is in contact with the anode of the membrane electrode assembly. The partition wall 52 isolates the water storage part 44e from the exit buffer part 50 at the portion opposed to the anode of the membrane electrode assembly.

Description

本発明は、燃料電池用セパレータに関するものである。   The present invention relates to a fuel cell separator.

燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応によって発電する燃料電池がエネルギ源として注目されている。この燃料電池は、一般に、電解質膜の両面に電極を接合してなる膜電極接合体を、セパレータで挟持することによって構成される。セパレータの表面には、燃料電池の電極の表面に沿って発電に供する反応ガスを流すためのガス流路が形成される。なお、このガス流路としては、燃料電池の電極の表面に沿って反応ガスが蛇行して流れるように形成されたサーペンタイン型のガス流路が用いられる場合がある。   A fuel cell that generates electricity by an electrochemical reaction between a fuel gas and an oxidant gas has attracted attention as an energy source. This fuel cell is generally configured by sandwiching a membrane electrode assembly formed by joining electrodes on both surfaces of an electrolyte membrane with a separator. On the surface of the separator, a gas flow path is formed for flowing a reaction gas used for power generation along the surface of the electrode of the fuel cell. The gas flow path may be a serpentine-type gas flow path that is formed so that the reaction gas snakes along the surface of the electrode of the fuel cell.

そして、このような燃料電池について、従来、反応ガス流路からの排水性を向上させるための種々の技術が提案されている。例えば、下記特許文献1には、燃料電池において、サーペンタイン型の燃料ガス流路の出口側と燃料ガス出口連通孔との間に、これらを連通するバッファ部と連結通路とを設け、連結通路の流路開口断面積を燃料ガス流路の出口側の流路開口断面積よりも小さくすることが記載されている。下記特許文献1に記載された技術によれば、連結流路から燃料ガス出口連通孔に排出される燃料ガスの流速を高め、排水性を向上させることができる。   And about such a fuel cell, conventionally, the various techniques for improving the drainage property from a reactive gas flow path are proposed. For example, in Patent Document 1 below, in a fuel cell, a buffer portion and a connection passage are provided between an outlet side of a serpentine type fuel gas flow path and a fuel gas outlet communication hole, and a connection passage is provided. It is described that the flow path opening cross-sectional area is made smaller than the flow path opening cross-sectional area on the outlet side of the fuel gas flow path. According to the technique described in Patent Document 1 below, the flow rate of the fuel gas discharged from the connection channel to the fuel gas outlet communication hole can be increased, and the drainage can be improved.

特開2006−278177号公報JP 2006-278177 A

ところで、燃料電池の高温運転時には、膜電極接合体における燃料ガス(オフガス)の出口領域では、電解質膜が乾燥しやすくなる。そして、電解質膜が乾燥すると、プロトン伝導性が低下し、燃料電池の発電性能の低下を招く。しかし、上記特許文献1に記載された技術では、この燃料ガス(オフガス)の出口領域における電解質膜の乾燥については、考慮されていなかった。   By the way, when the fuel cell is operated at a high temperature, the electrolyte membrane is easily dried in the outlet region of the fuel gas (off gas) in the membrane electrode assembly. When the electrolyte membrane is dried, the proton conductivity is lowered, and the power generation performance of the fuel cell is lowered. However, in the technique described in Patent Document 1, the drying of the electrolyte membrane in the outlet region of the fuel gas (off gas) has not been considered.

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、膜電極接合体を備える燃料電池において、膜電極接合体のオフガスの出口領域における電解質膜の乾燥を抑制することを目的とする。   The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to suppress drying of an electrolyte membrane in an off-gas outlet region of a membrane electrode assembly in a fuel cell including the membrane electrode assembly. .

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]
燃料電池用セパレータであって、
電解質膜の両面に電極を接合してなる膜電極接合体における前記電極の表面に沿って発電に供する反応ガスが蛇行して流れるように形成されたサーペンタイン型のガス流路と、
前記燃料電池用セパレータの厚さ方向に貫通し、前記電極から排出されたオフガスを前記燃料電池の外部に排出するためのオフガス排出部と、
前記ガス流路の終端に接続され、該ガス流路の終端から排出された前記オフガスが流入するバッファ部であって、前記電極と対向する内壁面に、該内壁面から前記電極の表面側に向かって突起し、前記電極と当接する複数の突起部が形成されたバッファ部と、
前記バッファ部に流入した前記オフガスを前記オフガス排出部に導出するためのオフガス導出流路と、
前記ガス流路から分岐して接続され、該ガス流路を流れる前記反応ガスの一部を分岐して導入し、該導入した前記反応ガスに含まれる水を一時的に貯水する貯水部であって、前記電極と対向する部位において、前記バッファ部の鉛直上方に隣接して設けられ、前記燃料電池用セパレータを前記膜電極接合体に積層したときに、貯水した水が前記電極と接触するように形成された貯水部と、
前記電極と対向する部位において、前記貯水部と前記バッファ部とを隔離する隔壁と、
を備える燃料電池用セパレータ。
[Application Example 1]
A fuel cell separator,
A serpentine type gas flow path formed such that a reactive gas for power generation flows in a meandering manner along the surface of the electrode in a membrane electrode assembly formed by bonding electrodes to both surfaces of an electrolyte membrane;
An off-gas discharge part for discharging off-gas discharged from the electrode, penetrating in the thickness direction of the fuel cell separator;
A buffer portion connected to the end of the gas flow path and into which the off-gas discharged from the end of the gas flow path flows, the inner wall facing the electrode, from the inner wall to the surface of the electrode A buffer portion formed with a plurality of protrusions protruding toward the electrode and contacting the electrode;
An off-gas outlet flow path for leading the off-gas flowing into the buffer section to the off-gas discharge section;
A water storage section that is branched and connected from the gas flow path, partially introduces the reaction gas flowing through the gas flow path, and temporarily stores water contained in the introduced reaction gas. Thus, when the fuel cell separator is stacked on the membrane electrode assembly, the water stored is in contact with the electrode when the fuel cell separator is stacked on the membrane electrode assembly. A water reservoir formed in the
In a part facing the electrode, a partition wall that separates the water storage part and the buffer part,
A fuel cell separator.

適用例1の燃料電池用セパレータを用いた燃料電池では、サーペンタイン型のガス流路およびバッファ部には、反応ガスおよびオフガスとともに、水(例えば、発電によって生成された生成水)も流れる。この水は、オフガスととともに、オフガス導出流路を通じて、オフガス排出部に排出される。この燃料電池において、ガス流路を流れる反応ガスの一部に含まれる水は、一時的に、バッファ部の鉛直上方に隣接して設けられた貯水部に貯水される。そして、この貯水部に貯水された水は、燃料電池用セパレータに積層された膜電極接合体の電極と接触して、膜電極接合体に浸透する。そして、この膜電極接合体に浸透した水は、膜電極接合体における貯水部と対向する部位から、重力によって、隔壁をくぐって、貯水部の鉛直下方に隣接するバッファ部と対向する部位、すなわち、膜電極接合体におけるオフガスの出口領域に移動する。したがって、適用例1の燃料電池用セパレータを燃料電池に用いることによって、膜電極接合体のオフガスの出口領域における電解質膜の乾燥を抑制することができる。本発明は、膜電極接合体のオフガスの出口領域において電解質膜が乾燥しやすくなる燃料電池の高温運転時に特に効果的である。   In the fuel cell using the fuel cell separator of Application Example 1, water (for example, generated water generated by power generation) flows through the serpentine-type gas flow path and the buffer portion together with the reaction gas and the off gas. The water is discharged together with the off gas to the off gas discharge section through the off gas outlet channel. In this fuel cell, water contained in a part of the reaction gas flowing through the gas flow path is temporarily stored in a water storage unit provided adjacent to the vertical upper part of the buffer unit. And the water stored in this water storage part contacts the electrode of the membrane electrode assembly laminated | stacked on the separator for fuel cells, and osmose | permeates a membrane electrode assembly. Then, the water that permeates the membrane electrode assembly passes through the partition wall by gravity from the portion facing the water storage portion in the membrane electrode assembly, and the portion facing the buffer portion adjacent vertically below the water storage portion, that is, And move to the off-gas outlet region in the membrane electrode assembly. Therefore, by using the fuel cell separator of Application Example 1 for a fuel cell, drying of the electrolyte membrane in the off-gas outlet region of the membrane electrode assembly can be suppressed. The present invention is particularly effective during high-temperature operation of a fuel cell in which the electrolyte membrane is easily dried in the off-gas outlet region of the membrane electrode assembly.

[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、
前記ガス流路は、
前記反応ガスを水平方向に沿った第1の方向に流すための第1のガス流路と、
前記第1のガス流路の終端に接続され、前記第1のガス流路から流入した前記反応ガスを鉛直下方に流すための第2のガス流路と、
前記第2のガス流路の終端に接続され、前記第2のガス流路から流入した前記反応ガスを前記第1の方向と対向する第2の方向に流すための第3のガス流路と、
を含み、
前記バッファ部は、前記第3のガス流路の終端に接続されており、
前記貯水部は、前記第1のガス流路から分岐して接続されており、該第1のガス流路を流れる前記反応ガスの一部を分岐して導入する、
燃料電池用セパレータ。
[Application Example 2]
A separator for a fuel cell according to Application Example 1,
The gas flow path is
A first gas flow path for flowing the reaction gas in a first direction along a horizontal direction;
A second gas flow path connected to an end of the first gas flow path for flowing the reaction gas flowing in from the first gas flow path vertically downward;
A third gas flow path connected to an end of the second gas flow path for flowing the reaction gas flowing in from the second gas flow path in a second direction opposite to the first direction; ,
Including
The buffer unit is connected to a terminal end of the third gas flow path,
The water storage part is branched and connected from the first gas flow path, and a part of the reaction gas flowing through the first gas flow path is branched and introduced.
Fuel cell separator.

適用例2の燃料電池用セパレータでは、膜電極接合体の電極と対向する部位に、ガス流路と、貯水部と、バッファ部と、隔壁とを、面積効率よく配置することができる。したがって、燃料電池用セパレータの小型化、さらには、燃料電池の小型化を図ることができる。   In the fuel cell separator of Application Example 2, the gas flow path, the water storage unit, the buffer unit, and the partition walls can be arranged in an area-efficient manner at a portion facing the electrode of the membrane electrode assembly. Therefore, it is possible to reduce the size of the fuel cell separator and further to reduce the size of the fuel cell.

[適用例3]
適用例2記載の燃料電池用セパレータであって、
前記第3のガス流路の終端と、前記バッファ部と、前記オフガス導出流路とは、水平方向に並べて配置されており、
前記オフガス導出流路の上端は、前記第3のガス流路の上端よりも鉛直下方に配置されており、
前記隔壁は、前記第3のガス流路の上端から前記オフガス導出流路の上端に亘って、連続的に傾斜して設けられた傾斜面を有する、
燃料電池用セパレータ。
[Application Example 3]
A separator for a fuel cell according to Application Example 2,
The terminal end of the third gas channel, the buffer unit, and the off-gas outlet channel are arranged side by side in the horizontal direction,
The upper end of the off-gas outlet channel is arranged vertically below the upper end of the third gas channel,
The partition has an inclined surface that is continuously inclined from the upper end of the third gas channel to the upper end of the off-gas outlet channel.
Fuel cell separator.

適用例3の燃料電池用セパレータでは、第3のガス流路の終端と、バッファ部と、オフガス導出流路とは、水平方向に並べて配置されており、オフガス導出流路の上端は、第3のガス流路の上端よりも鉛直下方に配置されている。この場合、バッファ部において、第3のガス流路の上端とオフガス導出流の上端との段差があると、この段差部分に水が滞留しやすい。一方、適用例3の燃料電池用セパレータでは、隔壁が、第3のガス流路の上端からオフガス導出流路の上端に亘って、連続的に傾斜して設けられた傾斜面を有している。このため、バッファ部において、第3のガス流路の上端とオフガス導出流の上端との段差をなくすことができる。そして、適用例3の燃料電池用セパレータを用いた燃料電池では、バッファ部に流入した水を、オフガス、あるいは、燃料電池の運転停止時に燃料電池の外部から供給された掃気ガスの流れによって、隔壁の傾斜面に沿って流動させることができる。したがって、バッファ部において、第3のガス流路の上端とオフガス導出流の上端との段差がある場合よりも、燃料電池の運転停止時に、バッファ部に水が滞留することを抑制することができる。この結果、氷点下時に、バッファ部やオフガス導出流路に残留した水が凍結してガスの流路が閉塞されることを抑制することができる。   In the fuel cell separator of Application Example 3, the end of the third gas flow path, the buffer unit, and the off-gas outlet flow path are arranged side by side in the horizontal direction. It is arranged vertically below the upper end of the gas flow path. In this case, if there is a step between the upper end of the third gas flow path and the upper end of the off-gas outlet flow in the buffer unit, water tends to stay in the step portion. On the other hand, in the fuel cell separator of Application Example 3, the partition wall has an inclined surface that is continuously inclined from the upper end of the third gas passage to the upper end of the off-gas outlet passage. . For this reason, it is possible to eliminate a step between the upper end of the third gas flow path and the upper end of the off-gas outlet flow in the buffer unit. In the fuel cell using the fuel cell separator according to the application example 3, the water flowing into the buffer portion is separated from the partition wall by the off gas or the flow of the scavenging gas supplied from the outside of the fuel cell when the fuel cell is stopped. It can be made to flow along the inclined surface. Therefore, in the buffer part, it is possible to suppress water from staying in the buffer part when the fuel cell is stopped, as compared with the case where there is a step between the upper end of the third gas flow path and the upper end of the off-gas outlet flow. . As a result, when the temperature is below freezing, it is possible to prevent water remaining in the buffer section and the off-gas outlet flow path from freezing and closing the gas flow path.

[適用例4]
適用例1ないし3のいずれかに記載の燃料電池用セパレータであって、
前記貯水部の前記電極と対向する内壁面に、該内壁面から前記電極の表面側に向かって突起し、前記電極と当接する複数の突起部であって、導電性を有する複数の突起部が形成されている、
燃料電池用セパレータ。
[Application Example 4]
The fuel cell separator according to any one of Application Examples 1 to 3,
A plurality of projecting portions projecting from the inner wall surface toward the surface side of the electrode on the inner wall surface of the water storage portion facing the electrode and contacting the electrode, wherein the plurality of projecting portions having conductivity are provided. Formed,
Fuel cell separator.

適用例4の燃料電池用セパレータを燃料電池に用いることによって、貯水部の上記内壁面に上記複数の突起部が形成されていない場合よりも、燃料電池の内部抵抗を減少させることができる。   By using the fuel cell separator of Application Example 4 for a fuel cell, the internal resistance of the fuel cell can be reduced as compared with the case where the plurality of protrusions are not formed on the inner wall surface of the water storage portion.

アノード側セパレータ100の概略構成を示す説明図である。3 is an explanatory diagram showing a schematic configuration of an anode separator 100. FIG. アノード側セパレータ100の効果を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the effect of the anode side separator.

以下、本発明の実施の形態について、実施例に基づき説明する。
A.実施例:
図1は、本発明の一実施例としてのアノード側セパレータ100の概略構成を示す説明図である。このアノード側セパレータ100は、燃料電池(図示省略)において、膜電極接合体のアノード側に積層される。図1では、アノード側セパレータ100を、膜電極接合体のアノードと当接する側から見た平面図を示した。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described based on examples.
A. Example:
FIG. 1 is an explanatory diagram showing a schematic configuration of an anode separator 100 as one embodiment of the present invention. The anode separator 100 is laminated on the anode side of the membrane electrode assembly in a fuel cell (not shown). In FIG. 1, the top view which looked at the anode side separator 100 from the side contact | abutted with the anode of a membrane electrode assembly was shown.

なお、膜電極接合体は、プロトン伝導性を有する電解質膜の両面に電極としての触媒層およびガス拡散層を接合することによって構成されている。触媒層は、電解質膜の表面に、触媒インクを塗布して乾燥させることによって形成される。本実施例では、電解質膜として、ナフィオン(登録商標)等の固体高分子からなる電解質膜を用いるものとした。また、本実施例では、ガス拡散層として、カーボンクロスを用いるものとした。ガス拡散層として、カーボンペーパ等、ガス拡散性、および、導電性を有する他の材料を用いるものとしてもよい。   The membrane electrode assembly is configured by joining a catalyst layer and a gas diffusion layer as electrodes to both surfaces of an electrolyte membrane having proton conductivity. The catalyst layer is formed by applying a catalyst ink on the surface of the electrolyte membrane and drying it. In this embodiment, an electrolyte membrane made of a solid polymer such as Nafion (registered trademark) is used as the electrolyte membrane. In this embodiment, carbon cloth is used as the gas diffusion layer. As the gas diffusion layer, other materials having gas diffusibility and conductivity such as carbon paper may be used.

アノード側セパレータ100は、1枚の金属プレートを加工することによって作製されている。アノード側セパレータ100には、例えば、プレス加工や打ち抜き加工によって、ガスや冷却媒体が流れる流路が形成されている。   The anode separator 100 is produced by processing one metal plate. The anode-side separator 100 is formed with a flow path through which a gas or a cooling medium flows, for example, by pressing or punching.

図1に示したように、アノード側セパレータ100は、水素供給部10と、水素導入流路20と、入口バッファ部30と、複数のガス流路40,42,44,46,48と、貯水部44eと、出口バッファ部50と、隔壁52と、アノードオフガス導出流路60と、アノードオフガス排出部70と、を備えている。入口バッファ部30と、複数のガス流路40,42,46,48と、貯水部44eと、出口バッファ部50と、隔壁52とは、膜電極接合体のアノードと対向する矩形領域内(図中に一点鎖線で囲って示した矩形領域内)に配置されている。   As shown in FIG. 1, the anode separator 100 includes a hydrogen supply unit 10, a hydrogen introduction channel 20, an inlet buffer unit 30, a plurality of gas channels 40, 42, 44, 46, 48, A section 44e, an outlet buffer section 50, a partition wall 52, an anode off-gas outlet passage 60, and an anode off-gas discharge section 70. The inlet buffer unit 30, the plurality of gas flow paths 40, 42, 46, and 48, the water storage unit 44e, the outlet buffer unit 50, and the partition wall 52 are in a rectangular region facing the anode of the membrane electrode assembly (see FIG. It is arranged in a rectangular area surrounded by a chain line.

水素供給部10(「水素in」と記載)は、アノード側セパレータ100の厚さ方向に貫通する貫通孔である。水素供給部10は、燃料電池の外部から供給された水素を燃料電池の積層方向に流すための流路を形成する。また、アノードオフガス排出部70(「水素out」と記載)は、アノード側セパレータ100の厚さ方向に貫通する貫通孔である。アノードオフガス排出部70は、膜電極接合体のアノードから排出されたアノードオフガスを燃料電池の積層方向に流して燃料電池の外部に排出するための流路を形成する。   The hydrogen supply unit 10 (described as “hydrogen in”) is a through-hole penetrating in the thickness direction of the anode-side separator 100. The hydrogen supply unit 10 forms a flow path for flowing hydrogen supplied from the outside of the fuel cell in the stacking direction of the fuel cell. Further, the anode off-gas discharge unit 70 (described as “hydrogen out”) is a through-hole penetrating in the thickness direction of the anode-side separator 100. The anode off gas discharge unit 70 forms a flow path for flowing the anode off gas discharged from the anode of the membrane electrode assembly in the stacking direction of the fuel cell and discharging it to the outside of the fuel cell.

水素供給部10と複数のガス流路40とは、水素導入流路20、および、入口バッファ部30を介して連通している。入口バッファ部30における膜電極接合体のアノードと対向する内壁面には、この内壁面からアノードと当接する表面側に向かって突起し、アノードと当接する複数の突起部30pが形成されている。   The hydrogen supply unit 10 and the plurality of gas channels 40 are in communication with each other via the hydrogen introduction channel 20 and the inlet buffer unit 30. On the inner wall surface of the inlet buffer unit 30 facing the anode of the membrane electrode assembly, a plurality of projecting portions 30p are formed that protrude from the inner wall surface toward the surface that comes into contact with the anode and that come into contact with the anode.

燃料電池の外部から供給された水素は、水素供給部10から水素導入流路20を通じて入口バッファ部30に流入する。そして、この水素は、入口バッファ部30において複数の突起部30pによって分散されて、複数のガス流路40に分配される。   Hydrogen supplied from the outside of the fuel cell flows from the hydrogen supply unit 10 into the inlet buffer unit 30 through the hydrogen introduction channel 20. The hydrogen is dispersed by the plurality of protrusions 30 p in the inlet buffer unit 30 and distributed to the plurality of gas flow paths 40.

複数のガス流路40,42,44,46,48は、膜電極接合体のアノードの表面に沿って水素が蛇行して流れるように形成されたサーペンタイン型のガス流路である。このサーペンタイン型のガス流路において、複数のガス流路40は、入口バッファ部30から流入した水素を水平方向に沿った方向(図示した例では、右から左)に流すためのガス流路である。また、複数のガス流路42は、複数のガス流路40のそれぞれ終端に接続され、複数のガス流路40から流入した水素をそれぞれ鉛直下方に流すための流路である。また、複数のガス流路44は、複数のガス流路42のそれぞれの終端に接続され、複数のガス流路42から流入した水素をそれぞれ水平方向に沿った方向(図示した例では、左から右)に流すためのガス流路である。また、複数のガス流路46は、複数のガス流路44のそれぞれ終端に接続され、複数のガス流路44から流入した水素をそれぞれ鉛直下方に流すための流路である。また、複数のガス流路48は、複数のガス流路46のそれぞれの終端に接続され、複数のガス流路46から流入した水素をそれぞれ水平方向に沿った方向(図示した例では、右から左)に流すためのガス流路である。複数のガス流路44は、[課題を解決するための手段]における第1のガス流路に相当する。また、ガス流路46は、[課題を解決するための手段]における第2のガス流路に相当する。また、ガス流路48は、[課題を解決するための手段]における第3のガス流路に相当する。   The plurality of gas flow paths 40, 42, 44, 46, 48 are serpentine-type gas flow paths formed so that hydrogen meanders and flows along the surface of the anode of the membrane electrode assembly. In this serpentine type gas flow path, the plurality of gas flow paths 40 are gas flow paths for flowing the hydrogen flowing in from the inlet buffer section 30 in a direction along the horizontal direction (in the illustrated example, from right to left). is there. The plurality of gas flow paths 42 are connected to the terminal ends of the plurality of gas flow paths 40 and are flow paths for allowing the hydrogen flowing in from the plurality of gas flow paths 40 to flow vertically downward. Further, the plurality of gas flow paths 44 are connected to the terminal ends of the plurality of gas flow paths 42, respectively, and hydrogen flowing in from the plurality of gas flow paths 42 is respectively in a horizontal direction (from the left in the illustrated example). It is a gas flow path for flowing to the right). Further, the plurality of gas flow paths 46 are connected to the terminal ends of the plurality of gas flow paths 44, respectively, for flowing hydrogen flowing in from the plurality of gas flow paths 44 vertically downward. Further, the plurality of gas flow paths 48 are connected to the respective terminal ends of the plurality of gas flow paths 46, and hydrogen flowing in from the plurality of gas flow paths 46 is respectively directed along the horizontal direction (in the illustrated example, from the right side). This is a gas flow path for flowing to the left. The plurality of gas flow paths 44 correspond to the first gas flow paths in [Means for Solving the Problems]. The gas flow path 46 corresponds to the second gas flow path in [Means for Solving the Problems]. The gas channel 48 corresponds to the third gas channel in [Means for Solving the Problems].

貯水部44eは、複数のガス流路44の鉛直下方に配置されており、複数のガス流路44のうちの最下部に位置するガス流路44から分岐して接続されている。この貯水部44eは、複数のガス流路44を流れる水素の一部を分岐して導入し、導入した水素に含まれる水を一時的に貯水する。貯水部44eに導入された水素の一部は、貯水部44eと対向する部位の膜電極接合体で消費され、未消費の水素は、ガス流路44に戻る。貯水部44eは、膜電極接合体のアノードと対向する部位において、出口バッファ部50の鉛直上方に隣接して設けられている。貯水部44eは、アノード側セパレータ100を膜電極接合体に積層したときに、貯水した水が膜電極接合体のアノードと接触するように形成されている。貯水部44eと出口バッファ部50とは、隔壁52によって隔離されている。したがって、貯水部44eに流入した水素および貯水された水は、直接的には出口バッファ部50に流入しない。なお、貯水部44eにおける膜電極接合体のアノードと対向する内壁面には、この内壁面からアノードと当接する表面側に突起し、アノードと当接する複数の突起部44pが形成されている。   The water reservoir 44e is disposed vertically below the plurality of gas passages 44, and is branched and connected from the gas passage 44 located at the lowest of the plurality of gas passages 44. The water storage unit 44e branches and introduces part of the hydrogen flowing through the plurality of gas flow paths 44, and temporarily stores the water contained in the introduced hydrogen. A part of the hydrogen introduced into the water storage part 44e is consumed by the membrane electrode assembly at a portion facing the water storage part 44e, and the unconsumed hydrogen returns to the gas flow path 44. The water storage part 44e is provided adjacent to the upper part of the outlet buffer part 50 in the part facing the anode of the membrane electrode assembly. The water storage part 44e is formed so that the stored water comes into contact with the anode of the membrane electrode assembly when the anode separator 100 is laminated on the membrane electrode assembly. The water storage part 44e and the outlet buffer part 50 are separated by a partition wall 52. Therefore, the hydrogen flowing into the water storage section 44e and the stored water do not flow directly into the outlet buffer section 50. The inner wall surface of the water storage section 44e facing the anode of the membrane electrode assembly is formed with a plurality of projecting sections 44p projecting from the inner wall surface to the surface contacting the anode and contacting the anode.

複数のガス流路48とアノードオフガス排出部70とは、出口バッファ部50、および、アノードオフガス導出流路60を介して連通している。出口バッファ部50は、複数のガス流路48の終端に接続されている。出口バッファ部50における膜電極接合体のアノードと対向する内壁面には、この内壁面からアノードと当接する表面側に突起し、アノードと当接する複数の突起部50pが形成されている。出口バッファ部50は、[課題を解決するための手段]におけるバッファ部に相当する。また、アノードオフガス導出流路60は、[課題を解決するための手段]におけるオフガス導出流路に相当する。   The plurality of gas flow paths 48 and the anode off-gas discharge section 70 communicate with each other via the outlet buffer section 50 and the anode off-gas outlet flow path 60. The outlet buffer unit 50 is connected to the ends of the plurality of gas flow paths 48. On the inner wall surface of the outlet buffer unit 50 facing the anode of the membrane electrode assembly, a plurality of projections 50p are formed which protrude from the inner wall surface to the surface side in contact with the anode and to contact the anode. The exit buffer unit 50 corresponds to the buffer unit in [Means for Solving the Problems]. Further, the anode off-gas outlet channel 60 corresponds to the off-gas outlet channel in [Means for Solving the Problems].

複数のガス流路48の終端と、出口バッファ部50と、アノードオフガス導出流路60とは、水平方向に並べて配置されている。また、アノードオフガス導出流路60の上端は、複数のガス流路48の上端よりも鉛直下方に配置されている。そして、隔壁52は、複数のガス流路48の上端からアノードオフガス導出流路60の上端に亘って、連続的に傾斜して設けられた傾斜面を有している。   The terminal ends of the plurality of gas channels 48, the outlet buffer unit 50, and the anode off-gas outlet channel 60 are arranged side by side in the horizontal direction. Further, the upper end of the anode off-gas outlet channel 60 is arranged vertically below the upper ends of the plurality of gas channels 48. The partition 52 has an inclined surface that is continuously inclined from the upper ends of the plurality of gas passages 48 to the upper end of the anode off-gas outlet passage 60.

複数のガス流路48の終端から排出されたアノードオフガスは、出口バッファ部50に流入する。このとき、出口バッファ部50には、アノードオフガスとともに、水(例えば、発電によって生成された生成水)も流入する。出口バッファ部50では、複数の突起部50pによって、水を含むアノードオフガスの流れ方向が分散される。そして、出口バッファ部50に流入したアノードオフガスおよび水は、出口バッファ部50からアノードオフガス導出流路60を通じてアノードオフガス排出部70に導出される。   The anode off gas discharged from the terminal ends of the plurality of gas flow paths 48 flows into the outlet buffer unit 50. At this time, water (for example, generated water generated by power generation) also flows into the outlet buffer unit 50 together with the anode off gas. In the outlet buffer unit 50, the flow direction of the anode off gas containing water is dispersed by the plurality of protrusions 50p. Then, the anode offgas and the water that have flowed into the outlet buffer unit 50 are led out from the outlet buffer unit 50 to the anode offgas discharge unit 70 through the anode offgas outlet channel 60.

図2は、アノード側セパレータ100の効果を示す説明図である。図2では、アノード側セパレータ100を用いた燃料電池における貯水部44e、出口バッファ部50、隔壁52近傍の断面図を示した。そして、図2中に、貯水部44e、出口バッファ部50、隔壁52近傍における水の流れを矢印で示した。   FIG. 2 is an explanatory view showing the effect of the anode separator 100. FIG. 2 shows a cross-sectional view of the vicinity of the water storage section 44e, the outlet buffer section 50, and the partition 52 in the fuel cell using the anode separator 100. In FIG. 2, the flow of water in the vicinity of the water storage unit 44e, the outlet buffer unit 50, and the partition wall 52 is indicated by arrows.

本実施例のアノード側セパレータ100を用いた燃料電池では、ガス流路44を流れる水素の一部に含まれる水が、一時的に、出口バッファ部50の鉛直上方に隣接して設けられた貯水部44eに貯水される。そして、この貯水部44eに貯水された水は、アノード側セパレータ100に積層された膜電極接合体と接触して、膜電極接合体に浸透する。そして、この膜電極接合体に浸透した水は、膜電極接合体における貯水部44eと対応する部位から、重力によって、隔壁52をくぐって、貯水部44eの鉛直下方に隣接する出口バッファ部50と対向する部位、すなわち、膜電極接合体におけるアノードオフガスの出口領域に移動する。したがって、本実施例のアノード側セパレータ100を燃料電池に用いることによって、膜電極接合体のアノードオフガスの出口領域における電解質膜の乾燥を抑制することができる。本実施例のアノード側セパレータ100は、膜電極接合体のオフガスの出口領域において電解質膜が乾燥しやすくなる燃料電池の高温運転時に特に効果的である。   In the fuel cell using the anode-side separator 100 of the present embodiment, the water contained in a part of the hydrogen flowing through the gas flow path 44 is temporarily stored in the water stored vertically adjacent to the outlet buffer unit 50. The water is stored in the portion 44e. The water stored in the water storage section 44e comes into contact with the membrane electrode assembly stacked on the anode separator 100 and permeates the membrane electrode assembly. And the water which permeate | transmitted this membrane electrode assembly passes the partition 52 by gravity from the site | part corresponding to the water storage part 44e in a membrane electrode assembly, and the exit buffer part 50 adjacent to the perpendicular | vertical downward direction of the water storage part 44e and It moves to the opposite part, that is, the anode off-gas outlet region in the membrane electrode assembly. Therefore, by using the anode-side separator 100 of this embodiment for a fuel cell, it is possible to suppress drying of the electrolyte membrane in the anode off-gas outlet region of the membrane electrode assembly. The anode-side separator 100 of this embodiment is particularly effective during high-temperature operation of the fuel cell in which the electrolyte membrane is easily dried in the off-gas outlet region of the membrane electrode assembly.

また、本実施例のアノード側セパレータ100では、サーペンタイン型のガス流路は、ガス流路40,42,44,46,48を含む。そして、出口バッファ部50は、ガス流路48の終端に接続されている。そして、貯水部44eは、ガス流路44から分岐して接続されており、ガス流路44を流れる水素の一部を分岐して導入する。このため、図1に示したように、膜電極接合体のアノードと対向する部位に、ガス流路40,42,44,46,48と、貯水部44eと、出口バッファ部50と、隔壁52とを、面積効率よく配置することができる。したがって、アノード側セパレータ100の小型化、さらには、燃料電池の小型化を図ることができる。   Moreover, in the anode side separator 100 of the present embodiment, the serpentine type gas flow path includes gas flow paths 40, 42, 44, 46 and 48. The outlet buffer unit 50 is connected to the end of the gas flow path 48. The water reservoir 44e is branched and connected from the gas flow path 44, and a part of hydrogen flowing through the gas flow path 44 is branched and introduced. For this reason, as shown in FIG. 1, gas flow paths 40, 42, 44, 46, 48, a water storage part 44 e, an outlet buffer part 50, and a partition wall 52 are provided at portions facing the anode of the membrane electrode assembly. Can be arranged efficiently in an area. Therefore, it is possible to reduce the size of the anode-side separator 100 and further reduce the size of the fuel cell.

また、本実施例のアノード側セパレータ100では、ガス流路48の終端と、出口バッファ部50と、アノードオフガス導出流路60とは、水平方向に並べて配置されており、アノードオフガス導出流路60の上端は、ガス流路48の上端よりも鉛直下方に配置されている。この場合、出口バッファ部50において、ガス流路48の上端とアノードオフガス導出流路60の上端との段差があると、この段差部分に水が滞留しやすい。一方、本実施例のアノード側セパレータ100では、隔壁52が、ガス流路48の上端からアノードオフガス導出流路60の上端に亘って、連続的に傾斜して設けられた傾斜面を有している。このため、出口バッファ部50において、ガス流路48の上端とアノードオフガス導出流路60の上端との段差をなくすことができる。そして、本実施例のアノード側セパレータ100を用いた燃料電池では、出口バッファ部50に流入した水を、アノードオフガス、あるいは、燃料電池の運転停止時に燃料電池の外部から供給された掃気ガスの流れによって、隔壁52の傾斜面に沿って流動させることができる。したがって、出口バッファ部50において、ガス流路48の上端とアノードオフガス導出流路60の上端との段差がある場合よりも、燃料電池の運転停止時に、出口バッファ部50に水が滞留することを抑制することができる。この結果、氷点下時に、出口バッファ部50やアノードオフガス導出流路60に残留した水が凍結してガスの流路が閉塞されることを抑制することができる。   In the anode-side separator 100 of the present embodiment, the end of the gas flow path 48, the outlet buffer unit 50, and the anode off-gas outlet flow path 60 are arranged side by side in the horizontal direction. Is arranged vertically below the upper end of the gas flow path 48. In this case, if there is a step between the upper end of the gas channel 48 and the upper end of the anode off-gas outlet channel 60 in the outlet buffer unit 50, water tends to stay in the stepped portion. On the other hand, in the anode-side separator 100 of the present embodiment, the partition wall 52 has an inclined surface that is continuously inclined from the upper end of the gas passage 48 to the upper end of the anode off-gas outlet passage 60. Yes. For this reason, in the outlet buffer part 50, the level | step difference of the upper end of the gas flow path 48 and the upper end of the anode off gas derivation | leading-out flow path 60 can be eliminated. In the fuel cell using the anode-side separator 100 of the present embodiment, the water flowing into the outlet buffer unit 50 is used as the anode off-gas or the flow of scavenging gas supplied from the outside of the fuel cell when the fuel cell is stopped. Thus, the fluid can flow along the inclined surface of the partition wall 52. Therefore, in the outlet buffer unit 50, water stays in the outlet buffer unit 50 when the fuel cell is stopped, compared to the case where there is a step between the upper end of the gas channel 48 and the upper end of the anode off-gas outlet channel 60. Can be suppressed. As a result, it is possible to prevent water remaining in the outlet buffer unit 50 and the anode off-gas outlet channel 60 from freezing and closing the gas channel when the temperature is below freezing.

また、本実施例のアノード側セパレータ100では、貯水部44eにおける膜電極接合体のアノードと対向する内壁面に、この内壁面からアノードの表面側に向かって突起し、アノードと当接する複数の突起部44pが形成されている。そして、この突起部44pは、導電性を有している。したがって、本実施例のアノード側セパレータ100を燃料電池に用いることによって、貯水部44eの上記内壁面に複数の突起部44pが形成されていない場合よりも、燃料電池の内部抵抗を減少させることができる。   Further, in the anode-side separator 100 of the present embodiment, a plurality of protrusions that protrude from the inner wall surface toward the surface side of the anode on the inner wall surface facing the anode of the membrane electrode assembly in the water storage section 44e and that are in contact with the anode. A portion 44p is formed. And this projection part 44p has electroconductivity. Therefore, by using the anode-side separator 100 of this embodiment for a fuel cell, the internal resistance of the fuel cell can be reduced as compared with the case where the plurality of protrusions 44p are not formed on the inner wall surface of the water storage portion 44e. it can.

B.変形例:
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこのような実施の形態になんら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において種々なる態様での実施が可能である。例えば、以下のような変形が可能である。
B. Variations:
Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to such embodiments, and can be implemented in various modes without departing from the scope of the present invention. For example, the following modifications are possible.

B1.変形例1:
上記実施例のアノード側セパレータ100では、サーペンタイン型のガス流路は、ガス流路40,42,44,46,48からなるものとしたが、本発明は、これに限られない。アノード側セパレータ100において、サーペンタイン型のガス流路は、膜電極接合体のアノードの表面に沿って水素が蛇行して流れるように形成されていればよく、他の構成としてもよい。
B1. Modification 1:
In the anode separator 100 of the above embodiment, the serpentine type gas flow path is composed of the gas flow paths 40, 42, 44, 46, and 48, but the present invention is not limited to this. In the anode-side separator 100, the serpentine-type gas flow path may be formed so that hydrogen snakes along the surface of the anode of the membrane electrode assembly, and may have other configurations.

B2.変形例2:
上記実施例のアノード側セパレータ100では、貯水部44eは、ガス流路44から分岐して接続されており、ガス流路44を流れる水素の一部を分岐して導入するものとしたが、本発明は、これに限られない。貯水部44eは、サーペンタイン型のガス流路40,42,44,46,48を流れる水素の一部を導入し、導入した水素に含まれる水を一時的に貯水することができるように形成されればよい。
B2. Modification 2:
In the anode separator 100 of the above embodiment, the water storage part 44e is branched and connected from the gas flow path 44, and a part of the hydrogen flowing through the gas flow path 44 is branched and introduced. The invention is not limited to this. The water storage part 44e is formed so that a part of hydrogen flowing through the serpentine type gas flow paths 40, 42, 44, 46, and 48 is introduced and water contained in the introduced hydrogen can be temporarily stored. Just do it.

B3.変形例3:
上記実施例のアノード側セパレータ100では、隔壁52は、複数のガス流路48の上端からアノードオフガス導出流路60の上端に亘って、連続的に傾斜して設けられた傾斜面を有するものとしたが、本発明は、これに限られない。隔壁52は、鉛直方向に隣接して配置された貯水部44eと出口バッファ部50とを隔離すればよく、隔壁52の形状、すなわち、出口バッファ部50、および、貯水部44eの形状を他の形状としてもよい。
B3. Modification 3:
In the anode-side separator 100 of the above embodiment, the partition wall 52 has an inclined surface that is continuously inclined from the upper ends of the plurality of gas passages 48 to the upper end of the anode off-gas outlet passage 60. However, the present invention is not limited to this. The partition wall 52 only needs to isolate the water storage portion 44e and the outlet buffer portion 50 that are arranged adjacent to each other in the vertical direction. The shape of the partition wall 52, that is, the shape of the outlet buffer portion 50 and the water storage portion 44e, It is good also as a shape.

B4.変形例4:
上記実施例のアノード側セパレータ100では、貯水部44eにおける膜電極接合体のアノードと対向する内壁面に、この内壁面からアノードの表面側に向かって突起し、アノードと当接する複数の突起部が形成されているものとしたが、本発明は、これに限られない。貯水部44eにおいて、複数の突起部44pを省略するようにしてもよい。
B4. Modification 4:
In the anode-side separator 100 of the above embodiment, a plurality of protrusions that protrude from the inner wall surface toward the surface side of the anode on the inner wall surface facing the anode of the membrane electrode assembly in the water storage section 44e and that are in contact with the anode. However, the present invention is not limited to this. In the water reservoir 44e, the plurality of protrusions 44p may be omitted.

B5:変形例5:
上記実施例では、本発明の燃料電池用セパレータの構成を、膜電極接合体のアノード側に積層されるアノード側セパレータに適用した場合について説明したが、本発明は、これに限られない。本発明の燃料電池用セパレータの構成を、膜電極接合体のカソード側に積層されるカソード側セパレータに適用するようにしてもよい。
B5: Modification 5:
In the above embodiment, the case where the configuration of the fuel cell separator of the present invention is applied to the anode separator laminated on the anode side of the membrane electrode assembly has been described. However, the present invention is not limited to this. The configuration of the separator for a fuel cell of the present invention may be applied to a cathode side separator laminated on the cathode side of the membrane electrode assembly.

100…アノード側セパレータ
10…水素供給部
20…水素導入流路
30…入口バッファ部
30p…突起部
40,42,44,46,48…ガス流路
44e…貯水部
44p…突起部
50…出口バッファ部
50p…突起部
52…隔壁
60…アノードオフガス導出流路
70…アノードオフガス排出部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 ... Anode side separator 10 ... Hydrogen supply part 20 ... Hydrogen introduction flow path 30 ... Inlet buffer part 30p ... Protrusion part 40, 42, 44, 46, 48 ... Gas flow path 44e ... Reservoir part 44p ... Protrusion part 50 ... Outlet buffer 50p ... Projection 52 ... Partition 60 ... Anode off gas outlet flow path 70 ... Anode off gas discharge part

Claims (4)

燃料電池用セパレータであって、
電解質膜の両面に電極を接合してなる膜電極接合体における前記電極の表面に沿って発電に供する反応ガスが蛇行して流れるように形成されたサーペンタイン型のガス流路と、
前記燃料電池用セパレータの厚さ方向に貫通し、前記電極から排出されたオフガスを前記燃料電池の外部に排出するためのオフガス排出部と、
前記ガス流路の終端に接続され、該ガス流路の終端から排出された前記オフガスが流入するバッファ部であって、前記電極と対向する内壁面に、該内壁面から前記電極の表面側に向かって突起し、前記電極と当接する複数の突起部が形成されたバッファ部と、
前記バッファ部に流入した前記オフガスを前記オフガス排出部に導出するためのオフガス導出流路と、
前記ガス流路から分岐して接続され、該ガス流路を流れる前記反応ガスの一部を分岐して導入し、該導入した前記反応ガスに含まれる水を一時的に貯水する貯水部であって、前記電極と対向する部位において、前記バッファ部の鉛直上方に隣接して設けられ、前記燃料電池用セパレータを前記膜電極接合体に積層したときに、貯水した水が前記電極と接触するように形成された貯水部と、
前記電極と対向する部位において、前記貯水部と前記バッファ部とを隔離する隔壁と、
を備える燃料電池用セパレータ。
A fuel cell separator,
A serpentine type gas flow path formed such that a reactive gas for power generation flows in a meandering manner along the surface of the electrode in a membrane electrode assembly formed by bonding electrodes to both surfaces of an electrolyte membrane;
An off-gas discharge part for discharging off-gas discharged from the electrode, penetrating in the thickness direction of the fuel cell separator;
A buffer portion connected to the end of the gas flow path and into which the off-gas discharged from the end of the gas flow path flows, the inner wall facing the electrode, from the inner wall to the surface of the electrode A buffer portion formed with a plurality of protrusions protruding toward the electrode and contacting the electrode;
An off-gas outlet flow path for leading the off-gas flowing into the buffer section to the off-gas discharge section;
A water storage section that is branched and connected from the gas flow path, partially introduces the reaction gas flowing through the gas flow path, and temporarily stores water contained in the introduced reaction gas. Thus, when the fuel cell separator is stacked on the membrane electrode assembly, the water stored is in contact with the electrode when the fuel cell separator is stacked on the membrane electrode assembly. A water reservoir formed in the
In a part facing the electrode, a partition wall that separates the water storage part and the buffer part,
A fuel cell separator.
請求項1記載の燃料電池用セパレータであって、
前記ガス流路は、
前記反応ガスを水平方向に沿った第1の方向に流すための第1のガス流路と、
前記第1のガス流路の終端に接続され、前記第1のガス流路から流入した前記反応ガスを鉛直下方に流すための第2のガス流路と、
前記第2のガス流路の終端に接続され、前記第2のガス流路から流入した前記反応ガスを前記第1の方向と対向する第2の方向に流すための第3のガス流路と、
を含み、
前記バッファ部は、前記第3のガス流路の終端に接続されており、
前記貯水部は、前記第1のガス流路から分岐して接続されており、該第1のガス流路を流れる前記反応ガスの一部を分岐して導入する、
燃料電池用セパレータ。
The fuel cell separator according to claim 1,
The gas flow path is
A first gas flow path for flowing the reaction gas in a first direction along a horizontal direction;
A second gas flow path connected to an end of the first gas flow path for flowing the reaction gas flowing in from the first gas flow path vertically downward;
A third gas flow path connected to an end of the second gas flow path for flowing the reaction gas flowing in from the second gas flow path in a second direction opposite to the first direction; ,
Including
The buffer unit is connected to a terminal end of the third gas flow path,
The water storage part is branched and connected from the first gas flow path, and a part of the reaction gas flowing through the first gas flow path is branched and introduced.
Fuel cell separator.
請求項2記載の燃料電池用セパレータであって、
前記第3のガス流路の終端と、前記バッファ部と、前記オフガス導出流路とは、水平方向に並べて配置されており、
前記オフガス導出流路の上端は、前記第3のガス流路の上端よりも鉛直下方に配置されており、
前記隔壁は、前記第3のガス流路の上端から前記オフガス導出流路の上端に亘って、連続的に傾斜して設けられた傾斜面を有する、
燃料電池用セパレータ。
The fuel cell separator according to claim 2, wherein
The terminal end of the third gas channel, the buffer unit, and the off-gas outlet channel are arranged side by side in the horizontal direction,
The upper end of the off-gas outlet channel is arranged vertically below the upper end of the third gas channel,
The partition has an inclined surface that is continuously inclined from the upper end of the third gas channel to the upper end of the off-gas outlet channel.
Fuel cell separator.
請求項1ないし3のいずれかに記載の燃料電池用セパレータであって、
前記貯水部の前記電極と対向する内壁面に、該内壁面から前記電極の表面側に向かって突起し、前記電極と当接する複数の突起部であって、導電性を有する複数の突起部が形成されている、
燃料電池用セパレータ。
A fuel cell separator according to any one of claims 1 to 3,
A plurality of projecting portions projecting from the inner wall surface toward the surface side of the electrode on the inner wall surface of the water storage portion facing the electrode and contacting the electrode, wherein the plurality of projecting portions having conductivity are provided. Formed,
Fuel cell separator.
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