JP2014036012A - Separator for fuel cell - Google Patents

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正也 小境
Tsutomu Okuzawa
奥澤  務
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a separator ensuring diffusivity of reaction gas, by moving water produced by power generation quickly from the electrode surface, thereby preventing the flooding in the downstream of a gas passage.SOLUTION: A separator for fuel cell includes a reaction gas passage 5 formed of a porous body in contact with a membrane electrode assembly 1 and through which reaction gas flows, and a conductive flat plate 3 in contact with the reaction gas passage 5. A passage groove 17 is formed in the reaction gas passage 5, in the flow direction of reaction gas. Cross section of the passage groove 17 perpendicular to the drawing direction is larger than the average value of cross section of pores in the porous body forming the reaction gas passage 5. The passage groove 17 consists of a plurality of partial grooves 13, 14, and the drawing directions of adjoining partial grooves 13, 14 are different from each other in the direction connecting the conductive flat plate 3 and the membrane electrode assembly 1.

Description

本発明は、燃料と酸化剤との化学反応により電気エネルギーを発生する燃料電池のセパレータに関する。   The present invention relates to a fuel cell separator that generates electrical energy by a chemical reaction between a fuel and an oxidant.

燃料電池は、電解質の種類により様々な種類が実用化されている。例えば、固体高分子形燃料電池は、単位発電セルの構造として、膜電極接合体と、その両側に配置されたガス拡散層と、さらにその両側に配置されたセパレータとを備える。膜電極接合体は、固体高分子電解質膜を、燃料極触媒層(以降「アノード」と呼ぶ)と酸化剤極触媒層(以降「カソード」と呼ぶ)とで挟んで被覆した接合体である。ガス拡散層は、例えば多孔質のカーボン材からなり、アノードとカソードへ均一に供給するようにガスを拡散させる。セパレータは、アノードに燃料ガスを供給し、カソードに酸化剤ガスを供給する。複数の単位発電セルを積層して積層体(以降「スタック」と呼ぶ)を形成し、このスタックの両端を締付板等により締め付けて、燃料電池スタックが構成される。   Various types of fuel cells have been put into practical use depending on the type of electrolyte. For example, the polymer electrolyte fuel cell includes a membrane electrode assembly, gas diffusion layers disposed on both sides thereof, and separators disposed on both sides thereof as a unit power generation cell structure. The membrane electrode assembly is a joined body in which a solid polymer electrolyte membrane is sandwiched and covered between a fuel electrode catalyst layer (hereinafter referred to as “anode”) and an oxidant electrode catalyst layer (hereinafter referred to as “cathode”). The gas diffusion layer is made of, for example, a porous carbon material, and diffuses gas so as to be uniformly supplied to the anode and the cathode. The separator supplies fuel gas to the anode and oxidant gas to the cathode. A plurality of unit power generation cells are stacked to form a stacked body (hereinafter referred to as “stack”), and both ends of the stack are tightened with a clamping plate or the like to constitute a fuel cell stack.

セパレータは、その一方の面に燃料ガス又は酸化剤ガスの流路を、他方の片面に冷却媒体の流路を備えているのが一般的であり、例えば、プレス加工により金属薄板の表面に凹凸を成形することにより製作される。このセパレータを用いた燃料電池の場合、セパレータのアノード側では燃料ガス流路の凸面(以降リブと呼ぶ)が、カソード側では酸化剤ガス流路のリブが、それぞれガス拡散層に接する。セパレータは、このガス拡散層との接触部分において、電気化学反応で生じた電子の授受を行い、電気化学反応により生じた熱を冷却流路に流れる冷却媒体へ伝える。また、燃料ガス又は酸化剤ガスは、凹部を流れ、ガス拡散層を介して、それぞれアノード又はカソードへ供給される。   The separator is generally provided with a fuel gas or oxidant gas flow path on one side and a cooling medium flow path on the other side. It is manufactured by molding. In the case of a fuel cell using this separator, the convex surface (hereinafter referred to as a rib) of the fuel gas flow channel is in contact with the gas diffusion layer on the anode side of the separator and the rib of the oxidant gas flow channel on the cathode side. The separator exchanges electrons generated by the electrochemical reaction at the contact portion with the gas diffusion layer, and transfers heat generated by the electrochemical reaction to the cooling medium flowing in the cooling flow path. Further, the fuel gas or the oxidant gas flows through the recess and is supplied to the anode or the cathode through the gas diffusion layer, respectively.

燃料電池は、他の動力源に比べて効率が高いことと、環境負荷が小さいこと等から、定置用分散電源や車載用電源への実用化が進んでいる。例えば、車載用電源の場合には、小型軽量といった高出力密度化が求められている。このためには、発電面全体にわたり一様な発電をすることと、発電に直接寄与しない部品の削減が必要となる。   Fuel cells have been put to practical use as stationary distributed power sources and in-vehicle power sources because of their high efficiency and low environmental load compared to other power sources. For example, in the case of an in-vehicle power source, a high output density such as small size and light weight is required. For this purpose, it is necessary to generate power uniformly over the entire power generation surface and to reduce parts that do not directly contribute to power generation.

従来のセパレータは、金属薄板のプレス加工により反応ガス流路が形成されており、ガス拡散層と接するリブでは通電のみを、凹部(反応ガス流路)ではガス拡散を担うというように役割が分割されている。このため、リブやガス流路幅のサイズで、通電部とガス拡散部が分布してしまう。発電の一様化にはリブとガス流路幅を細分化することが有効であるが、これらの細分化には、加工の観点から限界がある。   In conventional separators, the reaction gas flow path is formed by pressing a thin metal plate, and the role is divided so that only the energization is performed in the rib in contact with the gas diffusion layer and the gas diffusion is performed in the recess (reaction gas flow path). Has been. For this reason, the current-carrying part and the gas diffusion part are distributed with the size of the rib and the gas flow path width. It is effective to subdivide the ribs and the gas flow path width for uniform power generation, but these subdivisions have limitations from the viewpoint of processing.

そこで、このようなプレス加工のセパレータに代わり、細孔が連通した導電性多孔質体を反応ガス流路に用いる方法が考えられる。すなわち、多孔質体を反応ガス流路に用いると、通電部分である多孔質体の骨格部とガス拡散部分である連通細孔とが一様に混合しているので、通電部とガス拡散部とを一様化することが可能となる。これにより、発電反応の一様化が図られ、出力の向上が期待できる。   In view of this, instead of such a press-processed separator, a method is conceivable in which a conductive porous body having fine pores connected thereto is used for the reaction gas channel. That is, when the porous body is used for the reaction gas flow path, the skeleton of the porous body that is the current-carrying part and the communication pores that are the gas diffusion part are uniformly mixed. Can be made uniform. As a result, the power generation reaction is made uniform, and an improvement in output can be expected.

燃料電池では、下記に示す反応により、燃料である水素と酸化剤である空気中の酸素とが消費されて、水と熱と電力が発生する。出力の大きい高電流密度の燃料電池では、反応により発生する水の量も増加する。   In the fuel cell, hydrogen, which is a fuel, and oxygen in the air, which is an oxidant, are consumed by the reaction shown below, and water, heat, and electric power are generated. In a fuel cell with high output and high current density, the amount of water generated by the reaction also increases.

2H+O → 2HO+(熱)+(電力)
この反応は、流路に沿って反応ガスが上流から下流へ流れる間に生じているので、下流に行くにしたがい反応ガス流量が減る。さらに、酸化剤ガス側(カソード側)では、反応で発生した水蒸気が流入し、燃料ガス側(アノード側)では、濃度拡散及び電気浸透に基づきカソード側から固体高分子電解質膜を介して移動してきた水が流入する。この結果、電極では、水蒸気濃度が増大し、飽和濃度を超えれば凝縮水が発生してガス欠を生じ、また凝縮水によるフラッディングを生じて、セル電圧の低下を引き起こすという課題がある。
2H 2 + O 2 → 2H 2 O + (heat) + (electric power)
Since this reaction occurs while the reaction gas flows from upstream to downstream along the flow path, the reaction gas flow rate decreases as it goes downstream. Further, water vapor generated by the reaction flows on the oxidant gas side (cathode side) and moves on the fuel gas side (anode side) from the cathode side through the solid polymer electrolyte membrane based on concentration diffusion and electroosmosis. Water flows in. As a result, in the electrode, when the water vapor concentration increases and exceeds the saturation concentration, condensed water is generated, causing gas shortage, and flooding due to condensed water occurs, causing a cell voltage decrease.

特許文献1には、多孔質のガス拡散層の下流側に複数のスリットを設け、下流側での水の滞留を防止する技術が開示されている。この技術では、上流側で生成された水は、ガスの流れによって下流側に移動し、ガス拡散層 の下流側に設けたスリットによって排出される。   Patent Document 1 discloses a technique in which a plurality of slits are provided on the downstream side of a porous gas diffusion layer to prevent stagnation of water on the downstream side. In this technique, water generated on the upstream side moves to the downstream side by the gas flow and is discharged by a slit provided on the downstream side of the gas diffusion layer.

特開2006−172871号公報JP 2006-172871 A

反応ガス流路に多孔体を用いることで、ガス拡散性が向上し、電極での反応が一様になると、反応により生成される水も一様に発生する。ガス流路の上流部で生成された水は未反応のガスとともに下流部に移動することから、下流部では、過剰な水が滞留しやすくなり、フラッディングを生じてセル電圧の低下が起こりやすい。また、生成された水は、反応ガスの拡散を阻害してセルの電圧低下の要因となる。このため、生成された水を電極面(アノードとカソード)から速やかに遠ざけて排出し、水の滞留やフラッディングを防止するとともに、反応ガスの拡散性を確保することが必要である。従って、生成された水をガス流路の下流部に移動させるだけでなく、上流部と下流部の両方で電極面から速やかに移動させる必要がある。   By using a porous body in the reaction gas channel, gas diffusibility is improved, and when the reaction at the electrode becomes uniform, water generated by the reaction is also uniformly generated. Since the water generated in the upstream portion of the gas flow path moves to the downstream portion together with the unreacted gas, excess water tends to stay in the downstream portion, and flooding occurs to easily reduce the cell voltage. Further, the generated water hinders the diffusion of the reaction gas and causes the cell voltage to decrease. For this reason, it is necessary to quickly discharge the generated water away from the electrode surfaces (anode and cathode) to prevent water retention and flooding and to ensure the diffusibility of the reaction gas. Therefore, it is necessary not only to move the generated water to the downstream part of the gas flow path, but also to quickly move it from the electrode surface in both the upstream part and the downstream part.

燃料電池において、高電流密度の発電では生じる生成水が多くなるが、安定した発電を行うためには、反応ガスの拡散性を確保し、生成された水を電極面から速やかに移動させる必要がある。   In a fuel cell, the amount of generated water generated by high current density power generation increases, but in order to perform stable power generation, it is necessary to ensure the diffusibility of the reaction gas and move the generated water quickly from the electrode surface. is there.

本発明は、発電で生じた生成水を速やかに電極面から移動させ、ガス流路の下流におけるフラッディングを防止し、反応ガスの拡散性を確保することが可能なセパレータを提供することを目的とする。   An object of the present invention is to provide a separator capable of quickly moving generated water generated by power generation from an electrode surface, preventing flooding downstream of a gas flow path, and ensuring diffusibility of a reaction gas. To do.

本発明による燃料電池用セパレータは、以下のような特徴を有する。多孔体で形成され膜電極接合体に接し反応ガスが流れる反応ガス流路と、前記反応ガス流路に接する導電性平板とを備える燃料電池用セパレータであって、前記反応ガス流路には、流路溝が前記反応ガスの流れ方向に沿って形成されている。前記流路溝は、延伸方向に垂直な断面積が、前記反応ガス流路を形成する多孔体の細孔の断面積の平均値よりも大きい。且つ、前記流路溝は、前記流路溝は、複数の部分溝からなり、隣接する前記部分溝の延伸方向が、前記導電性平板と前記膜電極接合体とを結ぶ方向において互いに異なる。   The fuel cell separator according to the present invention has the following characteristics. A separator for a fuel cell comprising a reaction gas channel formed of a porous body and in contact with a membrane electrode assembly and through which a reaction gas flows, and a conductive flat plate in contact with the reaction gas channel, wherein the reaction gas channel includes: A channel groove is formed along the flow direction of the reaction gas. The flow channel has a cross-sectional area perpendicular to the extending direction that is larger than the average value of the cross-sectional areas of the pores of the porous body forming the reaction gas flow channel. In addition, the flow channel is composed of a plurality of partial grooves, and the extending directions of the adjacent partial grooves are different from each other in the direction connecting the conductive flat plate and the membrane electrode assembly.

本発明によるセパレータでは、発電で生じた生成水を速やかに電極面から移動させることができ、ガス流路の下流におけるフラッディングを防止し、反応ガスの拡散性を確保することが可能である。従って、発電で生じる生成水が多い高電流密度でも、安定な発電ができる燃料電池を提供することができる。   In the separator according to the present invention, generated water generated by power generation can be quickly moved from the electrode surface, and flooding downstream of the gas flow path can be prevented, and the diffusibility of the reaction gas can be ensured. Therefore, it is possible to provide a fuel cell capable of stable power generation even at a high current density with a large amount of water produced by power generation.

燃料電池スタックの断面を示す模式図。The schematic diagram which shows the cross section of a fuel cell stack. 本発明の実施例1による酸化剤側セパレータを膜電極接合体から見たときの平面模式図。The plane schematic diagram when the oxidizing agent side separator by Example 1 of this invention is seen from a membrane electrode assembly. 実施例1の酸化剤側多孔質ガス流路を酸化剤側平板から見たときの平面模式図。The plane schematic diagram when the oxidizing agent side porous gas flow path of Example 1 is seen from the oxidizing agent side flat plate. 実施例1の酸化剤側多孔質ガス流路を膜電極接合体から見たときの平面模式図。The plane schematic diagram when the oxidizing agent side porous gas flow path of Example 1 is seen from the membrane electrode assembly. 実施例1の酸化剤側多孔質ガス流路の側断面を示す模式図。FIG. 3 is a schematic diagram showing a side cross section of an oxidant-side porous gas channel of Example 1. 実施例1の酸化剤側多孔質ガス流路を酸化剤側平板から見たときの、水の移動を示す平面模式図。FIG. 3 is a schematic plan view showing the movement of water when the oxidant side porous gas flow path of Example 1 is viewed from the oxidant side flat plate. 実施例1の酸化剤側多孔質ガス流路の側断面における、水の移動を示す模式図。FIG. 3 is a schematic diagram showing the movement of water in the side cross section of the oxidant-side porous gas channel of Example 1. 実施例1における酸化剤側多孔質ガス流路の変形例を示す図。FIG. 3 is a diagram showing a modification of the oxidant side porous gas flow path in the first embodiment. 実施例1における酸化剤側多孔質ガス流路の別の変形例を示す図。FIG. 6 is a diagram showing another modification of the oxidant side porous gas flow path in the first embodiment. 実施例1における酸化剤側多孔質ガス流路のさらに別の変形例を示す図。FIG. 6 is a view showing still another modification of the oxidant-side porous gas channel in the first embodiment. 実施例2の酸化剤側多孔質ガス流路を酸化剤側平板から見たときの平面模式図。The plane schematic diagram when the oxidizing agent side porous gas flow path of Example 2 is seen from the oxidizing agent side flat plate. 実施例2の酸化剤側多孔質ガス流路を膜電極接合体から見たときの平面模式図。The plane schematic diagram when the oxidizing agent side porous gas flow path of Example 2 is seen from the membrane electrode assembly. 実施例2の酸化剤側多孔質ガス流路の側断面を示す模式図。FIG. 4 is a schematic diagram showing a side cross section of an oxidant side porous gas flow channel of Example 2. 実施例3の酸化剤側多孔質ガス流路の側断面を示す模式図。FIG. 6 is a schematic diagram showing a side cross section of an oxidant-side porous gas channel of Example 3. 実施例4の酸化剤側多孔質ガス流路を酸化剤側平板から見たときの平面模式図。The plane schematic diagram when the oxidizing agent side porous gas flow path of Example 4 is seen from the oxidizing agent side flat plate. 実施例4の酸化剤側多孔質ガス流路を膜電極接合体から見たときの平面模式図。The plane schematic diagram when the oxidizing agent side porous gas flow path of Example 4 is seen from the membrane electrode assembly. 実施例4の酸化剤側多孔質ガス流路の側断面(図10AのA−A’断面)を示す模式図。The schematic diagram which shows the side cross section (A-A 'cross section of FIG. 10A) of the oxidizing agent side porous gas flow path of Example 4. FIG. 実施例4の酸化剤側多孔質ガス流路の側断面(図10AのB−B’断面)を示す模式図。The schematic diagram which shows the side cross section (B-B 'cross section of FIG. 10A) of the oxidizing agent side porous gas flow path of Example 4. FIG. 実施例5の酸化剤側多孔質ガス流路の側断面を示す模式図。FIG. 6 is a schematic diagram showing a side cross section of an oxidant-side porous gas channel of Example 5. 実施例6の酸化剤側多孔質ガス流路の側断面を示す模式図。FIG. 6 is a schematic diagram showing a side cross section of an oxidant side porous gas flow channel of Example 6.

以下、本発明による燃料電池用セパレータの実施形態について、図面を用いて説明する。   Hereinafter, embodiments of a fuel cell separator according to the present invention will be described with reference to the drawings.

図1は、燃料電池スタック100の断面を示す模式図である。燃料電池スタック100は、発電部105、燃料ガスの供給口111、燃料ガスの排出口112、酸化剤ガスの供給口113、酸化剤ガスの排出口114、発電した電力を外部に取り出すための集電板115、集電板115の外側に配置される絶縁板116、反応ガス(燃料ガスと酸化剤ガス)の漏洩を防止するためのシール部材20、及び反応ガスの供給口と排出口を備える端板118を備える。図示していないが、燃料電池スタック100は、さらに、燃料電池スタック100の構成部材の積層方向に荷重を付与する機構を備える。   FIG. 1 is a schematic view showing a cross section of the fuel cell stack 100. The fuel cell stack 100 includes a power generation unit 105, a fuel gas supply port 111, a fuel gas discharge port 112, an oxidant gas supply port 113, an oxidant gas discharge port 114, and a collector for taking out the generated electric power to the outside. An electric plate 115, an insulating plate 116 arranged outside the current collecting plate 115, a seal member 20 for preventing leakage of reactive gas (fuel gas and oxidant gas), and a reactive gas supply port and discharge port are provided. An end plate 118 is provided. Although not shown, the fuel cell stack 100 further includes a mechanism for applying a load in the stacking direction of the constituent members of the fuel cell stack 100.

集電板115は、燃料電池が発電した電気エネルギーを外部に取り出す端子であり、銅に金メッキしたものを使用することで耐食性と導電性を両立できる。端板118は、SUSのような金属材料を用いてもよいが、PPS(Poly Phenylene Sulfide)のような絶縁性樹脂を用いて、絶縁板116を兼ねてもよい。燃料電池スタック100の構成部材に荷重を付与する機構は、発電部105が備える膜電極接合体1に、1MPa程度の面圧が付与する。   The current collecting plate 115 is a terminal for taking out the electric energy generated by the fuel cell to the outside, and by using a gold-plated copper, it is possible to achieve both corrosion resistance and conductivity. The end plate 118 may use a metal material such as SUS, but may also serve as the insulating plate 116 using an insulating resin such as PPS (Poly Phenylene Sulfide). The mechanism for applying a load to the constituent members of the fuel cell stack 100 applies a surface pressure of about 1 MPa to the membrane electrode assembly 1 provided in the power generation unit 105.

発電部105は、膜電極接合体1、燃料側セパレータ7、酸化剤側セパレータ8、及び冷却流路6を備える。   The power generation unit 105 includes the membrane electrode assembly 1, the fuel side separator 7, the oxidant side separator 8, and the cooling flow path 6.

膜電極接合体1は、フッ素系又は炭化水素系の固体高分子材料からなる固体高分子電解質膜、固体高分子電解質膜の一方の面に配置されたアノード、及び他方の面に配置されたカソードを備える。アノード及びカソードは、白金などの触媒が坦持されたカーボン担体と電解質とから構成される。   The membrane electrode assembly 1 includes a solid polymer electrolyte membrane made of a fluorine-based or hydrocarbon-based solid polymer material, an anode disposed on one surface of the solid polymer electrolyte membrane, and a cathode disposed on the other surface. Is provided. The anode and the cathode are composed of a carbon support on which a catalyst such as platinum is supported and an electrolyte.

燃料側セパレータ7は、導電性の燃料側平板2と燃料側多孔質ガス流路4とを備え、膜電極接合体1の一方の面に接するように配置され、アノードに燃料ガスを供給する。膜電極接合体1には、燃料側多孔質ガス流路4が接する。すなわち、燃料側平板2と膜電極接合体1とで、燃料側多孔質ガス流路4を挟む。   The fuel-side separator 7 includes a conductive fuel-side flat plate 2 and a fuel-side porous gas flow path 4, is disposed so as to contact one surface of the membrane electrode assembly 1, and supplies fuel gas to the anode. A fuel-side porous gas channel 4 is in contact with the membrane electrode assembly 1. That is, the fuel side porous gas flow path 4 is sandwiched between the fuel side flat plate 2 and the membrane electrode assembly 1.

酸化剤側セパレータ8は、導電性の酸化剤側平板3と酸化剤側多孔質ガス流路5とを備え、膜電極接合体1の他方の面に接するように配置され、カソードに酸化剤ガスを供給する。膜電極接合体1には、酸化剤側多孔質ガス流路5が接する。すなわち、酸化剤側平板3と膜電極接合体1とで、酸化剤側多孔質ガス流路5を挟む。   The oxidant side separator 8 includes a conductive oxidant side flat plate 3 and an oxidant side porous gas flow path 5 and is disposed so as to be in contact with the other surface of the membrane electrode assembly 1. Supply. The membrane electrode assembly 1 is in contact with the oxidant side porous gas flow path 5. That is, the oxidant side porous gas channel 5 is sandwiched between the oxidant side flat plate 3 and the membrane electrode assembly 1.

通常、発電部105は、膜電極接合体1と多孔質ガス流路4、5との間に、カーボンペーパーやカーボンフェルトからなるガス拡散層を備える。しかし、多孔質ガス流路4、5にガス拡散層の機能を持たせ、ガス拡散層を省略することも可能である。以下に示す実施例では、多孔質ガス流路4、5にガス拡散層の機能を持たせて、ガス拡散層を省略した例を示す。   Usually, the power generation unit 105 includes a gas diffusion layer made of carbon paper or carbon felt between the membrane electrode assembly 1 and the porous gas flow paths 4 and 5. However, the porous gas flow paths 4 and 5 can have a gas diffusion layer function, and the gas diffusion layer can be omitted. In the embodiment described below, an example in which the gas diffusion layer is omitted by giving the porous gas flow paths 4 and 5 the function of the gas diffusion layer is shown.

冷却流路6は、燃料側セパレータ7と酸化剤側セパレータ8に接するように配置され、電気化学反応による発電で生じた熱を冷却するための冷却媒体が流れる。冷却媒体としては、例えば水を用いることができる。   The cooling flow path 6 is disposed so as to be in contact with the fuel side separator 7 and the oxidant side separator 8, and a cooling medium for cooling the heat generated by the power generation by the electrochemical reaction flows. For example, water can be used as the cooling medium.

このような構成の燃料電池スタック100において、本発明では、酸化剤側セパレータ8と燃料側セパレータ7のうち少なくとも一方が、以下の構成を備えることを特徴とする。   In the fuel cell stack 100 having such a configuration, the present invention is characterized in that at least one of the oxidant side separator 8 and the fuel side separator 7 has the following configuration.

(1)多孔体で形成され膜電極接合体1に接し反応ガスが流れる反応ガス流路と、反応ガス流路に接する導電性平板とを備える。反応ガス流路には、流路溝(空隙)が反応ガスの流れ方向に沿って形成されている。流路溝は、延伸方向に垂直な断面積が、反応ガス流路を形成する多孔体の細孔の断面積の平均値よりも大きい。さらに、流路溝は、複数の部分溝からなり、隣接する部分溝の延伸方向が、導電性平板と膜電極接合体1とを結ぶ方向において互いに異なる。   (1) A reaction gas passage formed of a porous body and in contact with the membrane electrode assembly 1 and through which a reaction gas flows, and a conductive flat plate in contact with the reaction gas passage are provided. In the reaction gas channel, a channel groove (gap) is formed along the flow direction of the reaction gas. The channel groove has a cross-sectional area perpendicular to the extending direction that is larger than the average value of the cross-sectional areas of the pores of the porous body forming the reaction gas channel. Furthermore, the flow channel groove is composed of a plurality of partial grooves, and the extending directions of the adjacent partial grooves are different from each other in the direction connecting the conductive flat plate and the membrane electrode assembly 1.

(2)好ましくは、流路溝は、複数の部分溝として、反応ガスの流れ方向に延伸する複数の横溝と、導電性平板と膜電極接合体1とを結ぶ方向に延伸して横溝を接続する複数の縦溝とを備える。   (2) Preferably, the flow channel groove is connected to the plurality of horizontal grooves extending in the reaction gas flow direction as a plurality of partial grooves and extending in the direction connecting the conductive flat plate and the membrane electrode assembly 1. A plurality of longitudinal grooves.

(3)また、好ましくは、流路溝は、反応ガスの流れの上流から下流に沿って導電性平板から膜電極接合体1に向かって斜めに延伸する部分溝と、反応ガスの流れの上流から下流に沿って膜電極接合体1から導電性平板に向かって斜めに延伸する部分溝とが、交互に配置されて形成されている。   (3) Preferably, the flow path groove includes a partial groove extending obliquely from the conductive flat plate toward the membrane electrode assembly 1 along the upstream side to the downstream side of the reactive gas flow, and the upstream side of the reactive gas flow. The partial grooves extending obliquely from the membrane electrode assembly 1 toward the conductive flat plate are formed so as to be alternately arranged along the downstream side.

以下、本発明によるセパレータの実施例を説明する。以下の実施例では、酸化剤側セパレータ8を例に挙げて説明するが、燃料側セパレータ7にも以下の実施例を適用することができる。燃料側セパレータ7に以下の実施例を適用しても、酸化剤側セパレータ8に適用して得られるのと同様の効果を得ることができる。燃料電池の反応ガスは、一例として、燃料ガスを水素とし、酸化剤ガスを空気とする。燃料ガスは、水素でなくてもよく、水素リッチなガスであればよい。酸化剤ガスは、酸素ガスでもよく、酸素ガスが最も好ましい。また、本発明によるセパレータは、固体高分子形燃料電池や直接メタノール形燃料電池など、様々な種類の燃料電池に適用することができる。   Examples of the separator according to the present invention will be described below. In the following examples, the oxidant side separator 8 will be described as an example, but the following examples can also be applied to the fuel side separator 7. Even if the following examples are applied to the fuel-side separator 7, the same effects as those obtained by applying to the oxidant-side separator 8 can be obtained. As an example of the reaction gas of the fuel cell, the fuel gas is hydrogen and the oxidant gas is air. The fuel gas need not be hydrogen, but may be any gas rich in hydrogen. The oxidant gas may be oxygen gas, and oxygen gas is most preferable. The separator according to the present invention can be applied to various types of fuel cells such as a polymer electrolyte fuel cell and a direct methanol fuel cell.

図2は、本発明の実施例1による酸化剤側セパレータ8を膜電極接合体1から見たときの平面模式図である。酸化剤側セパレータ8には、酸化剤ガス供給マニホールド21、酸化剤ガス排出マニホールド22、燃料ガス供給マニホールド23、燃料ガス排出マニホールド24、冷却媒体供給マニホールド25、冷却媒体排出マニホールド26、及びシール部材20が設けられる。   FIG. 2 is a schematic plan view of the oxidant side separator 8 according to Example 1 of the present invention when viewed from the membrane electrode assembly 1. The oxidant side separator 8 includes an oxidant gas supply manifold 21, an oxidant gas discharge manifold 22, a fuel gas supply manifold 23, a fuel gas discharge manifold 24, a cooling medium supply manifold 25, a cooling medium discharge manifold 26, and a seal member 20. Is provided.

シール部材20は、ガスケット等からなり、単位発電セルの両面にある電極の短絡を防止し、反応ガスや液体の漏洩を防止する。   The seal member 20 is made of a gasket or the like, prevents a short circuit between electrodes on both sides of the unit power generation cell, and prevents leakage of reaction gas and liquid.

酸化剤側セパレータ8は、酸化剤側平板3(図2では示していない)と酸化剤側多孔質ガス流路5とを備える。酸化剤側多孔質ガス流路5には、後述するように、複数の部分溝(横溝13と縦溝14)からなる流路溝(空隙)が形成される。流路溝は、酸化剤側多孔質ガス流路5に形成された空洞であり、全体として酸化剤ガスの流れ方向に延伸し、酸化剤ガスを流通させる。隣接する部分溝の延伸方向は、酸化剤側平板3と膜電極接合体1とを結ぶ方向において、互いに異なる。流路溝は、延伸方向(酸化剤ガスの流れ方向)に垂直な断面積が、酸化剤側多孔質ガス流路5を形成する多孔体の細孔径の平均値(平均細孔径)から求めた細孔の断面積の平均値(平均細孔断面積)よりも大きい。   The oxidant side separator 8 includes an oxidant side flat plate 3 (not shown in FIG. 2) and an oxidant side porous gas flow path 5. As will be described later, a channel groove (void) composed of a plurality of partial grooves (lateral grooves 13 and vertical grooves 14) is formed in the oxidant-side porous gas channel 5. The channel groove is a cavity formed in the oxidant-side porous gas channel 5 and extends in the oxidant gas flow direction as a whole to circulate the oxidant gas. The extending directions of the adjacent partial grooves are different from each other in the direction connecting the oxidant side flat plate 3 and the membrane electrode assembly 1. The channel groove has a cross-sectional area perpendicular to the extending direction (the flow direction of the oxidant gas) determined from the average value of the pore diameters (average pore diameter) of the porous body forming the oxidant side porous gas flow channel 5. It is larger than the average value of the cross-sectional area of the pores (average pore cross-sectional area).

酸化剤側多孔質ガス流路5は、多孔体で形成され、反応ガス(酸化剤ガス)を発電面(カソード)で拡散させる。前述したように、酸化剤側セパレータ8は、膜電極接合体1に接する酸化剤側多孔質ガス流路5と、酸化剤側多孔質ガス流路5に接する酸化剤側平板3とを備える。酸化剤側多孔質ガス流路5は、酸化剤側平板3と膜電極接合体1とで挟まれており、一方の面で酸化剤側平板3と対向し、他方の面で膜電極接合体1と対向する。   The oxidant-side porous gas channel 5 is formed of a porous body, and diffuses the reaction gas (oxidant gas) on the power generation surface (cathode). As described above, the oxidant-side separator 8 includes the oxidant-side porous gas channel 5 in contact with the membrane electrode assembly 1 and the oxidant-side flat plate 3 in contact with the oxidant-side porous gas channel 5. The oxidant-side porous gas channel 5 is sandwiched between the oxidant-side flat plate 3 and the membrane electrode assembly 1, is opposed to the oxidant-side flat plate 3 on one side, and the membrane electrode assembly on the other side. 1 opposite.

酸化剤側多孔質ガス流路5を形成する多孔体は、連通した細孔を有し、導電性材料から構成される多孔質体である。材料としては、チタン、アルミニウム、マグネシウム、ニッケル、クロム、モリブデン、及びこれらを一部に含む合金(例えばSUS)などから選定する。発泡、焼結、又は微細金属繊維の結着などにより製造され、気孔率は75%以上であることが望ましい。多孔体の気孔径は10μm〜500μmの範囲を含むことが望ましく、特に細孔径分布によるモード径は150μm以上が望ましい。多孔体は0.2mm〜1.5mmの厚さとする。   The porous body that forms the oxidant-side porous gas flow path 5 is a porous body that has continuous pores and is made of a conductive material. The material is selected from titanium, aluminum, magnesium, nickel, chromium, molybdenum, and an alloy (for example, SUS) partially containing them. It is preferably produced by foaming, sintering, or binding of fine metal fibers, and the porosity is desirably 75% or more. The pore diameter of the porous body is desirably in the range of 10 μm to 500 μm, and in particular, the mode diameter based on the pore diameter distribution is desirably 150 μm or more. The porous body has a thickness of 0.2 mm to 1.5 mm.

さらに、酸化剤側多孔質ガス流路5を形成する多孔体には、酸化剤側平板3と対向する面には親水処理を、膜電極接合体1と対向する面には疎水処理をすることが望ましい。なお、本明細書では、親水処理とは水との接触角が30°以下となるように処理することであり、疎水処理は水との接触角が80°以上となるように処理することである。   Further, the porous body forming the oxidant side porous gas flow path 5 is subjected to a hydrophilic treatment on the surface facing the oxidant side flat plate 3 and a hydrophobic treatment on the surface facing the membrane electrode assembly 1. Is desirable. In the present specification, the hydrophilic treatment is treatment so that the contact angle with water is 30 ° or less, and the hydrophobic treatment is treatment so that the contact angle with water is 80 ° or more. is there.

酸化剤側平板3は、導電性を有する金属平板であり、厚さ0.2mm以下の純金属や合金、又は複数の金属プレートを積層し圧延したクラッド材からなる。材質としては、例えば、チタン、SUS、アルミニウム、及びマグネシウムなどが使用できる。   The oxidant side flat plate 3 is a conductive metal flat plate made of a pure metal or alloy having a thickness of 0.2 mm or less, or a clad material obtained by laminating and rolling a plurality of metal plates. Examples of the material that can be used include titanium, SUS, aluminum, and magnesium.

図3A、図3B、及び図3Cは、酸化剤側セパレータ8の酸化剤側多孔質ガス流路5の詳細を示す図である。図3Aは、酸化剤側多孔質ガス流路5を酸化剤側平板3から見たときの平面模式図であり、酸化剤側平板3と対向する面を示している。図3Bは、酸化剤側多孔質ガス流路5を膜電極接合体1から見たときの平面模式図であり、膜電極接合体1と対向する面を示している。図3Cは、酸化剤側多孔質ガス流路5の側断面を示す模式図である。   3A, 3B, and 3C are views showing details of the oxidant-side porous gas flow path 5 of the oxidant-side separator 8. FIG. FIG. 3A is a schematic plan view of the oxidant side porous gas flow path 5 when viewed from the oxidant side flat plate 3, and shows a surface facing the oxidant side flat plate 3. FIG. 3B is a schematic plan view of the oxidant-side porous gas flow channel 5 when viewed from the membrane electrode assembly 1, and shows a surface facing the membrane electrode assembly 1. FIG. 3C is a schematic diagram showing a side cross-section of the oxidant side porous gas channel 5.

図3A、図3B、及び図3Cにおいて、酸化剤ガスは、図の左側から右側へ流通する。すなわち、図2に示した酸化剤ガス供給マニホールド21は、図3A〜3Cでは左側にあり、酸化剤ガス排出マニホールド22は、図3A〜3Cでは右側にある。酸化剤側多孔質ガス流路5において、酸化剤ガスが供給される側(図3A〜3Cでの左側)を「酸化剤ガス入口側端部15」と呼び、酸化剤ガスが排出される側(図3A〜3Cでの右側)を「酸化剤ガス出口側端部16」と呼ぶ。酸化剤ガスは、酸化剤側多孔質ガス流路5に対して、上流側である酸化剤ガス入口側端部15から流入し、下流側である酸化剤ガス出口側端部16から流出する。   3A, 3B, and 3C, the oxidant gas flows from the left side to the right side of the figure. 2 is on the left side in FIGS. 3A-3C and the oxidant gas discharge manifold 22 is on the right side in FIGS. 3A-3C. In the oxidant side porous gas flow path 5, the side to which the oxidant gas is supplied (the left side in FIGS. 3A to 3C) is referred to as “oxidant gas inlet side end 15”, and the side from which the oxidant gas is discharged. (Right side in FIGS. 3A to 3C) is referred to as “oxidant gas outlet side end portion 16”. The oxidant gas flows into the oxidant side porous gas flow path 5 from the oxidant gas inlet side end 15 on the upstream side, and flows out from the oxidant gas outlet side end 16 on the downstream side.

図3A、図3B、及び図3Cに示すように、酸化剤側多孔質ガス流路5には、酸化剤ガスの流れ方向に沿って延伸する複数の横溝13が形成される。複数の横溝13のそれぞれは、酸化剤側平板3又は膜電極接合体1に接するように形成される。図3Cに示すように、酸化剤側平板3に接する横溝13と膜電極接合体1に接する横溝13は、酸化剤ガスの流れ方向に沿って交互に配置される。   As shown in FIGS. 3A, 3B, and 3C, the oxidant-side porous gas flow path 5 is formed with a plurality of lateral grooves 13 that extend along the flow direction of the oxidant gas. Each of the plurality of lateral grooves 13 is formed in contact with the oxidant side flat plate 3 or the membrane electrode assembly 1. As shown in FIG. 3C, the lateral grooves 13 in contact with the oxidant side flat plate 3 and the lateral grooves 13 in contact with the membrane electrode assembly 1 are alternately arranged along the flow direction of the oxidant gas.

さらに、酸化剤側多孔質ガス流路5には、酸化剤側平板3と膜電極接合体1とを結ぶ方向に沿って延伸する複数の縦溝14が形成される。縦溝14のそれぞれは、酸化剤ガスの流れ方向に沿って隣り合う横溝13を接続する。すなわち、縦溝14は、酸化剤側平板3に接する横溝13と膜電極接合体1に接する横溝13とを接続するように形成される。   Further, the oxidant side porous gas flow path 5 is formed with a plurality of vertical grooves 14 extending along a direction connecting the oxidant side flat plate 3 and the membrane electrode assembly 1. Each of the vertical grooves 14 connects the adjacent horizontal grooves 13 along the flow direction of the oxidant gas. That is, the vertical groove 14 is formed so as to connect the horizontal groove 13 in contact with the oxidant side flat plate 3 and the horizontal groove 13 in contact with the membrane electrode assembly 1.

部分溝である複数の横溝13と複数の縦溝14とにより、酸化剤側多孔質ガス流路5には、全体として酸化剤ガスの流れ方向に沿う流路溝17が形成される。流路溝17は、酸化剤側平板3と膜電極接合体1との間でクランク状に折れ曲がって蛇行し、酸化剤ガスの流れの上流側から下流側に向かって延伸する。   By the plurality of horizontal grooves 13 and the plurality of vertical grooves 14 which are partial grooves, a flow path groove 17 is formed in the oxidant side porous gas flow path 5 as a whole along the flow direction of the oxidant gas. The channel groove 17 bends in a crank shape between the oxidant side flat plate 3 and the membrane electrode assembly 1 and snakes and extends from the upstream side to the downstream side of the flow of the oxidant gas.

横溝13の、酸化剤ガスの流れ方向に垂直な断面積(酸化剤側平板3と膜電極接合体1とを結ぶ方向に沿う断面積)は、酸化剤側多孔質ガス流路5を形成する多孔体の平均細孔径から求めた平均細孔断面積よりも大きい。横溝13の深さ(酸化剤側平板3と膜電極接合体1とを結ぶ方向の長さ)は、酸化剤側多孔質ガス流路5の厚さ(酸化剤側平板3と膜電極接合体1とを結ぶ方向の長さ)の1/2以下とする。   The cross-sectional area perpendicular to the oxidant gas flow direction (cross-sectional area along the direction connecting the oxidant side flat plate 3 and the membrane electrode assembly 1) of the lateral groove 13 forms the oxidant side porous gas flow path 5. It is larger than the average pore cross-sectional area obtained from the average pore diameter of the porous body. The depth of the lateral groove 13 (the length in the direction connecting the oxidant side flat plate 3 and the membrane electrode assembly 1) is the thickness of the oxidant side porous gas channel 5 (the oxidant side flat plate 3 and the membrane electrode assembly). 1 or less of the length in the direction connecting 1).

縦溝14の断面積(酸化剤側平板3と膜電極接合体1とを結ぶ方向に垂直な断面積)は、酸化剤側多孔質ガス流路5を形成する多孔体の平均細孔径から求めた平均細孔断面積よりも大きい。   The cross-sectional area of the longitudinal groove 14 (the cross-sectional area perpendicular to the direction connecting the oxidant-side flat plate 3 and the membrane electrode assembly 1) is obtained from the average pore diameter of the porous body forming the oxidant-side porous gas channel 5. It is larger than the average pore cross-sectional area.

すなわち、酸化剤側多孔質ガス流路5には、酸化剤側多孔質ガス流路5を形成する多孔体の平均細孔断面積よりも大きい断面積を持つ流路溝17が、横溝13と縦溝14とにより形成される。流路溝17の断面積の具体的な値は、例えば、酸化剤ガスの圧力や流量、酸化剤側多孔質ガス流路5を形成する多孔体の空孔率、及び酸化剤側多孔質ガス流路5の強度に基づいて決めることができる。本実施例では、一例として、酸化剤側多孔質ガス流路5を形成する多孔体に公称細孔径が600μmのSUS多孔体を用いた。この酸化剤側多孔質ガス流路5に形成した横溝13は、深さ(酸化剤側平板3と膜電極接合体1とを結ぶ方向の長さ)と幅(酸化剤ガスの流れ方向と酸化剤側平板3と膜電極接合体1とを結ぶ方向とに垂直な方向)が0.5mmの角柱形状であり、縦溝14は、直径(酸化剤ガスの流れ方向の長さ)が1mmで、酸化剤側平板3と膜電極接合体1とを結ぶ長さの円柱形状である。   That is, in the oxidant side porous gas flow channel 5, a flow channel groove 17 having a cross-sectional area larger than the average pore cross-sectional area of the porous body forming the oxidant side porous gas flow channel 5 is It is formed by the vertical groove 14. Specific values of the cross-sectional area of the channel groove 17 include, for example, the pressure and flow rate of the oxidant gas, the porosity of the porous body forming the oxidant side porous gas channel 5, and the oxidant side porous gas. It can be determined based on the strength of the flow path 5. In this example, as an example, a SUS porous body having a nominal pore diameter of 600 μm was used as the porous body forming the oxidant-side porous gas flow path 5. The lateral groove 13 formed in the oxidant side porous gas flow path 5 has a depth (a length in a direction connecting the oxidant side flat plate 3 and the membrane electrode assembly 1) and a width (a flow direction of the oxidant gas and an oxidation). The direction perpendicular to the direction connecting the agent side flat plate 3 and the membrane electrode assembly 1) is a prismatic shape of 0.5 mm, and the longitudinal groove 14 has a diameter (length in the flow direction of the oxidizing gas) of 1 mm. The cylindrical shape has a length connecting the oxidant side flat plate 3 and the membrane electrode assembly 1.

横溝13の形状は、角柱形でなくてもよく、任意の形状でよい。すなわち、横溝13の、酸化剤ガスの流れ方向に垂直な断面(酸化剤側平板3と膜電極接合体1とを結ぶ方向に沿う断面)の形状は、多角形、円形、又は楕円形など、任意の形状でよい。縦溝14の形状は、円柱形でなくてもよく、任意の形状でよい。すなわち、縦溝14の、酸化剤側平板3と膜電極接合体1とを結ぶ方向に垂直な断面の形状は、多角形、円形、又は楕円形など、任意の形状でよい。   The shape of the lateral groove 13 may not be a prismatic shape, and may be an arbitrary shape. That is, the shape of the cross section of the lateral groove 13 perpendicular to the flow direction of the oxidant gas (cross section along the direction connecting the oxidant side flat plate 3 and the membrane electrode assembly 1) is a polygon, a circle, an ellipse, or the like. Any shape is acceptable. The shape of the vertical groove 14 may not be a cylindrical shape, and may be an arbitrary shape. That is, the shape of the cross section of the vertical groove 14 perpendicular to the direction connecting the oxidant-side flat plate 3 and the membrane electrode assembly 1 may be any shape such as a polygon, a circle, or an ellipse.

酸化剤側多孔質ガス流路5の酸化剤ガス入口側端部15では、図3Cに示すように、横溝13は、酸化剤側平板3に接するのが好ましい。すなわち、酸化剤ガスの流れ方向の最も上流側にある横溝13は、酸化剤側平板3に接するのが好ましい。これは、酸化剤ガスの流れの上流側(電気化学反応により発生した水の量が少ない部分)において、酸化剤ガスの流通により膜電極接合体1が乾燥するのを防ぐためである。   At the oxidant gas inlet side end 15 of the oxidant side porous gas flow path 5, as shown in FIG. 3C, the lateral groove 13 is preferably in contact with the oxidant side flat plate 3. That is, it is preferable that the lateral groove 13 on the most upstream side in the flow direction of the oxidant gas is in contact with the oxidant side flat plate 3. This is to prevent the membrane electrode assembly 1 from being dried by the flow of the oxidant gas on the upstream side of the flow of the oxidant gas (the portion where the amount of water generated by the electrochemical reaction is small).

横溝13と縦溝14は、切削やプレス加工により成形でき、また、酸化剤側多孔質ガス流路5に用いる多孔体の製造段階で成形することも可能である。   The horizontal grooves 13 and the vertical grooves 14 can be formed by cutting or pressing, and can also be formed at the manufacturing stage of the porous body used for the oxidant side porous gas flow path 5.

酸化剤側多孔質ガス流路5の、酸化剤側平板3と対向する面に施す親水処理には、TiOやSiOを含む親水剤を用い、膜電極接合体1と対向する面に施す疎水処理には、PTFEを含む分散液を用いるのが有効である。 For the hydrophilic treatment applied to the surface facing the oxidant side flat plate 3 of the oxidant side porous gas flow path 5, a hydrophilic agent containing TiO 2 or SiO 2 is used and applied to the surface facing the membrane electrode assembly 1. For the hydrophobic treatment, it is effective to use a dispersion containing PTFE.

酸化剤側多孔質ガス流路5の中に、酸化剤側平板3と膜電極接合体1との間で折れ曲がっている流路溝(空隙)17を形成することにより、酸化剤ガスの拡散性を確保するとともに、発電で生じた生成水を速やかにカソードから移動させることが可能である。酸化剤ガスは、主に流路溝17を通って、酸化剤側多孔質ガス流路5の上流側から下流側へと流れる。このとき、酸化剤ガスは、流路溝17が折れ曲がっているので酸化剤側多孔質ガス流路5に衝突して、酸化剤側多孔質ガス流路5の多孔体の細孔の中へ入りやすい。従って、酸化剤ガスは、流路溝17を流れるだけでなく、酸化剤側多孔質ガス流路5の多孔体の中へ拡散して流れて、電極へ到達する。このため、酸化剤側多孔質ガス流路5の中に折れ曲がっていない直線状の流路溝17が形成されている場合に比べて、酸化剤ガスの拡散性をより向上させることができる。   By forming a channel groove (void) 17 that is bent between the oxidant side flat plate 3 and the membrane electrode assembly 1 in the oxidant side porous gas channel 5, the diffusibility of the oxidant gas is increased. In addition, it is possible to quickly move generated water generated by power generation from the cathode. The oxidant gas mainly flows from the upstream side to the downstream side of the oxidant side porous gas flow channel 5 through the flow channel groove 17. At this time, since the channel groove 17 is bent, the oxidant gas collides with the oxidant side porous gas channel 5 and enters the pores of the porous body of the oxidant side porous gas channel 5. Cheap. Accordingly, the oxidant gas not only flows through the flow channel groove 17 but also diffuses into the porous body of the oxidant side porous gas flow channel 5 and reaches the electrode. For this reason, compared with the case where the linear flow path groove | channel 17 which is not bent is formed in the oxidizing agent side porous gas flow path 5, the diffusibility of oxidizing gas can be improved more.

横溝13の酸化剤ガスの流れ方向の長さは、任意に定めることができるが、酸化剤ガスの拡散性を良くするためには短い方がよい。酸化剤ガスの拡散性は、酸化剤側多孔質ガス流路5の中の流路溝17の折れ曲がる回数(すなわち、酸化剤ガスが酸化剤側多孔質ガス流路5に衝突する回数)が多いほど良くなる。横溝13の酸化剤ガスの流れ方向の長さが短いと、流路溝17の折れ曲がる回数が多くなり、酸化剤ガスの拡散性がさらに良くなる。   The length of the lateral groove 13 in the flow direction of the oxidant gas can be arbitrarily determined, but is preferably shorter in order to improve the diffusibility of the oxidant gas. As for the diffusibility of the oxidant gas, the number of times the flow channel 17 in the oxidant side porous gas flow channel 5 is bent (that is, the number of times the oxidant gas collides with the oxidant side porous gas flow channel 5) is large. Get better. When the length of the lateral groove 13 in the flow direction of the oxidant gas is short, the number of times the flow path groove 17 is bent is increased, and the diffusibility of the oxidant gas is further improved.

図3A、及び図3Bに示すように、酸化剤側平板3と膜電極接合体1との間で折れ曲がっている流路溝17は、酸化剤側多孔質ガス流路5に複数本形成するのが好ましい。流路溝17の数が多いほど、酸化剤ガスの拡散性がさらに良くなる。   As shown in FIGS. 3A and 3B, a plurality of flow channel grooves 17 bent between the oxidant side flat plate 3 and the membrane electrode assembly 1 are formed in the oxidant side porous gas flow channel 5. Is preferred. The greater the number of flow channel grooves 17, the better the diffusibility of the oxidant gas.

図4A及び図4Bは、酸化剤側多孔質ガス流路5内での水の移動を示す模式図である。図4Aは、酸化剤側多孔質ガス流路5を酸化剤側平板3から見たときの、水の移動を示す平面模式図である。図4Bは、酸化剤側多孔質ガス流路5の側断面における、水の移動を示す模式図である。図4A及び図4Bにおいて、矢印は水の移動を示している。   4A and 4B are schematic views showing the movement of water in the oxidant side porous gas flow path 5. FIG. FIG. 4A is a schematic plan view showing the movement of water when the oxidant side porous gas channel 5 is viewed from the oxidant side flat plate 3. FIG. 4B is a schematic diagram showing the movement of water in the side cross section of the oxidant-side porous gas channel 5. 4A and 4B, the arrows indicate the movement of water.

図4Bに示すように、酸化剤側多孔質ガス流路5の、膜電極接合体1と対向する面には、疎水処理が施されており、酸化剤側平板3と対向する面には、親水処理が施されている。この疎水処理のために、電気化学反応で生成した水は、酸化剤側多孔質ガス流路5の細孔へ侵入せず、膜電極接合体1から流路溝17(主に横溝13)へ移動する。この水は、未反応の酸化剤ガスの圧力により、流路溝17(主に縦溝14)を通って酸化剤側平板3の方向へ移動する。図4A及び図4Bに示すように、この水は、酸化剤側多孔質ガス流路5の、酸化剤側平板3と対向する面の親水処理により、酸化剤側多孔質ガス流路5に吸収され、この面で保持される。   As shown in FIG. 4B, the surface facing the membrane electrode assembly 1 of the oxidant side porous gas channel 5 is subjected to hydrophobic treatment, and the surface facing the oxidant side flat plate 3 is Hydrophilic treatment is applied. Due to this hydrophobic treatment, the water generated by the electrochemical reaction does not enter the pores of the oxidant-side porous gas flow channel 5 and flows from the membrane electrode assembly 1 to the flow channel groove 17 (mainly the lateral groove 13). Moving. This water moves in the direction of the oxidant side flat plate 3 through the flow channel groove 17 (mainly the vertical groove 14) by the pressure of the unreacted oxidant gas. As shown in FIGS. 4A and 4B, this water is absorbed into the oxidant side porous gas channel 5 by the hydrophilic treatment of the surface of the oxidant side porous gas channel 5 facing the oxidant side flat plate 3. And held in this plane.

図5、図6、及び図7は、実施例1における酸化剤側多孔質ガス流路5の変形例を示す図である。図5〜図7は、図3Cと同様に、酸化剤側多孔質ガス流路5の側断面を示している。   5, 6, and 7 are diagrams illustrating modifications of the oxidant-side porous gas channel 5 in the first embodiment. 5-7 has shown the side cross section of the oxidizing agent side porous gas flow path 5 similarly to FIG. 3C.

図5に示す酸化剤側多孔質ガス流路5では、酸化剤ガス入口側端部15と酸化剤ガス出口側端部16の両方において、横溝13が酸化剤側平板3に接している。上述したように、酸化剤ガス入口側端部15では、図3Cに示すように、横溝13は、酸化剤側平板3に接するのが好ましい。しかし、酸化剤ガス出口側端部16では、図3Cと図5に示すように、横溝13は、膜電極接合体1に接していてもよく、酸化剤側平板3に接していてもよい。すなわち、酸化剤ガスの流れ方向の最も下流側にある横溝13は、膜電極接合体1に接していてもよく、酸化剤側平板3に接していてもよい。   In the oxidant side porous gas flow path 5 shown in FIG. 5, the lateral groove 13 is in contact with the oxidant side flat plate 3 at both the oxidant gas inlet side end 15 and the oxidant gas outlet side end 16. As described above, at the oxidant gas inlet side end portion 15, as shown in FIG. 3C, the lateral groove 13 is preferably in contact with the oxidant side flat plate 3. However, at the oxidant gas outlet side end 16, as shown in FIGS. 3C and 5, the lateral groove 13 may be in contact with the membrane electrode assembly 1 or may be in contact with the oxidant side flat plate 3. That is, the lateral groove 13 on the most downstream side in the flow direction of the oxidant gas may be in contact with the membrane electrode assembly 1 or may be in contact with the oxidant side flat plate 3.

図6に示す酸化剤側多孔質ガス流路5では、横溝13と縦溝14とからなる流路溝17は、酸化剤側多孔質ガス流路5の内側に形成される。すなわち、酸化剤ガス入口側端部15と酸化剤ガス出口側端部16の位置にある横溝13は、それぞれ酸化剤ガス入口側端部15と酸化剤ガス出口側端部16の部分が、酸化剤側多孔質ガス流路5の多孔体により塞がれている。なお、酸化剤ガス入口側端部15と酸化剤ガス出口側端部16の位置にある横溝13のうち一方だけが、酸化剤側多孔質ガス流路5の多孔体により塞がれてもよい。   In the oxidant side porous gas flow path 5 shown in FIG. 6, the flow path groove 17 composed of the lateral groove 13 and the vertical groove 14 is formed inside the oxidant side porous gas flow path 5. That is, the lateral grooves 13 at the positions of the oxidant gas inlet side end 15 and the oxidant gas outlet side end 16 are respectively formed by oxidizing portions of the oxidant gas inlet side end 15 and oxidant gas outlet side end 16. The agent side porous gas flow path 5 is blocked by the porous body. Note that only one of the lateral grooves 13 at the position of the oxidant gas inlet side end 15 and the oxidant gas outlet side end 16 may be blocked by the porous body of the oxidant side porous gas flow path 5. .

図7に示す酸化剤側多孔質ガス流路5では、横溝13と縦溝14とからなる流路溝17は、膜電極接合体1と酸化剤側平板3に接していない。すなわち、横溝13と縦溝14とからなる流路溝17は、酸化剤ガス入口側端部15と酸化剤ガス出口側端部16以外で、酸化剤側多孔質ガス流路5の多孔体に囲まれている。なお、横溝13と縦溝14とからなる流路溝17は、膜電極接合体1と酸化剤側平板3の一方だけに接してもよく、一部だけが膜電極接合体1又は酸化剤側平板3に接してもよい。   In the oxidant-side porous gas channel 5 shown in FIG. 7, the channel groove 17 composed of the lateral groove 13 and the vertical groove 14 is not in contact with the membrane electrode assembly 1 and the oxidant-side flat plate 3. That is, the channel groove 17 composed of the lateral groove 13 and the vertical groove 14 is formed in the porous body of the oxidant side porous gas channel 5 except for the oxidant gas inlet side end 15 and the oxidant gas outlet side end 16. being surrounded. The channel groove 17 composed of the lateral groove 13 and the vertical groove 14 may be in contact with only one of the membrane electrode assembly 1 and the oxidant side flat plate 3, and only a part thereof is on the membrane electrode assembly 1 or the oxidant side. You may contact the flat plate 3.

このように、酸化剤側平板3に接する横溝13と膜電極接合体1に接する横溝13とを酸化剤ガスの流れ方向に沿って交互に配置し、酸化剤側多孔質ガス流路5の中に酸化剤側平板3と膜電極接合体1との間で折れ曲がっている流路溝17を形成することにより、酸化剤ガスの流れ方向の上流で生成した水を、生成場所の近傍で、膜電極接合体1から酸化剤側平板3の方向へ速やかに移動させることができる。従って、生成された水が下流へ流動するのを防止することが可能であり、下流部での過剰な水の滞留を防止することが可能である。本実施例では、酸化剤ガスの流れ方向の下流側だけでなく、上流側でも、生成した水を、生成場所の近傍で、膜電極接合体1から酸化剤側平板3の方向へ速やかに移動させることができるという効果がある。   In this way, the lateral grooves 13 in contact with the oxidant side flat plate 3 and the lateral grooves 13 in contact with the membrane electrode assembly 1 are alternately arranged along the flow direction of the oxidant gas. By forming a channel groove 17 that is bent between the oxidant side flat plate 3 and the membrane electrode assembly 1, water generated upstream in the flow direction of the oxidant gas can be The electrode assembly 1 can be quickly moved in the direction of the oxidant side flat plate 3. Therefore, it is possible to prevent the generated water from flowing downstream, and it is possible to prevent excessive water from staying in the downstream portion. In this embodiment, the generated water is quickly moved from the membrane electrode assembly 1 toward the oxidant side flat plate 3 in the vicinity of the generation place not only on the downstream side in the flow direction of the oxidant gas but also on the upstream side. There is an effect that can be made.

図8A、図8B、及び図8Cを用いて、本発明の実施例2による酸化剤側セパレータ8を説明する。図8A、図8B、及び図8Cは、本実施例における酸化剤側セパレータ8の酸化剤側多孔質ガス流路5の詳細を示す図である。図8Aは、酸化剤側多孔質ガス流路5を酸化剤側平板3から見たときの平面模式図であり、酸化剤側平板3と対向する面を示している。図8Bは、酸化剤側多孔質ガス流路5を膜電極接合体1から見たときの平面模式図であり、膜電極接合体1と対向する面を示している。図8Cは、酸化剤側多孔質ガス流路5の側断面を示す模式図である。図8A、図8B、及び図8Cにおいて、実施例1と同一の符号は、実施例1と同一又は共通する要素を示す。実施例1と同一又は共通する構成の説明は省略する。   The oxidant-side separator 8 according to the second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 8A, 8B, and 8C. FIG. 8A, FIG. 8B, and FIG. 8C are diagrams showing details of the oxidant-side porous gas channel 5 of the oxidant-side separator 8 in the present embodiment. FIG. 8A is a schematic plan view of the oxidant side porous gas flow channel 5 when viewed from the oxidant side flat plate 3, and shows a surface facing the oxidant side flat plate 3. FIG. 8B is a schematic plan view of the oxidant-side porous gas channel 5 when viewed from the membrane electrode assembly 1, and shows a surface facing the membrane electrode assembly 1. FIG. 8C is a schematic diagram showing a side cross-section of the oxidant side porous gas channel 5. 8A, FIG. 8B, and FIG. 8C, the same code | symbol as Example 1 shows the element which is the same as that of Example 1, or is common. The description of the same or common configuration as the first embodiment is omitted.

本実施例では、図8A、図8B、及び図8Cに示すように、酸化剤側多孔質ガス流路5の流路溝17を形成する横溝13は、酸化剤ガスの流れ方向の長さが、酸化剤ガスの流れの上流から下流に向かって徐々に短くなっていく。このような構成の場合、酸化剤ガスの流れの下流にいくほど、流路溝17の折れ曲がる頻度が多くなる。このため、水の滞留やフラッディングが起こりやすい下流側において、生成した水を、膜電極接合体1から酸化剤側平板3の方向へより速やかに移動させることができる。さらに、下流側において、酸化剤ガスが酸化剤側多孔質ガス流路5に衝突する頻度が多くなり、酸化剤ガスの拡散性をさらに良くすることができる。   In this embodiment, as shown in FIGS. 8A, 8B, and 8C, the lateral groove 13 forming the flow channel 17 of the oxidant side porous gas flow channel 5 has a length in the flow direction of the oxidant gas. The oxidant gas flow gradually shortens from upstream to downstream. In the case of such a configuration, the frequency of bending of the flow channel groove 17 increases as the position of the oxidant gas flows downstream. For this reason, the generated water can be moved more quickly from the membrane electrode assembly 1 toward the oxidant side flat plate 3 on the downstream side where water retention and flooding are likely to occur. Furthermore, on the downstream side, the frequency with which the oxidant gas collides with the oxidant side porous gas flow path 5 increases, and the diffusibility of the oxidant gas can be further improved.

図9を用いて、本発明の実施例3による酸化剤側セパレータ8を説明する。図9は、本実施例における酸化剤側セパレータ8の酸化剤側多孔質ガス流路5の側断面を示す模式図である。図9において、実施例1と同一の符号は、実施例1と同一又は共通する要素を示す。実施例1と同一又は共通する構成の説明は省略する。   The oxidant side separator 8 according to Example 3 of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 9 is a schematic diagram showing a side cross section of the oxidant side porous gas flow path 5 of the oxidant side separator 8 in the present embodiment. In FIG. 9, the same reference numerals as those in the first embodiment indicate the same or common elements as those in the first embodiment. The description of the same or common configuration as the first embodiment is omitted.

本実施例では、酸化剤側多孔質ガス流路5の流路溝17を形成する横溝13は、酸化剤ガスの流れ方向に垂直な断面積が、酸化剤ガスの流れの上流から下流に向かって徐々に小さくなっていく。このような構成の場合、酸化剤ガスの流れの下流にいくほど、酸化剤ガスの流速が速くなる。従って、生成した水を、酸化剤ガスの流速によって、流路溝17(主に縦溝14)を通って酸化剤側平板3の方向へ移動させる力が大きくなる。このため、水の滞留やフラッディングが起こりやすい下流側において、生成した水を、膜電極接合体1から酸化剤側平板3の方向へより速やかに移動させることができる。   In this embodiment, the lateral groove 13 forming the flow channel groove 17 of the oxidant side porous gas flow channel 5 has a cross-sectional area perpendicular to the flow direction of the oxidant gas from the upstream to the downstream of the flow of the oxidant gas. Gradually get smaller. In the case of such a configuration, the flow rate of the oxidant gas increases as it goes downstream of the flow of the oxidant gas. Therefore, the force for moving the generated water to the direction of the oxidant side flat plate 3 through the flow channel groove 17 (mainly the vertical groove 14) is increased by the flow rate of the oxidant gas. For this reason, the generated water can be moved more quickly from the membrane electrode assembly 1 toward the oxidant side flat plate 3 on the downstream side where water retention and flooding are likely to occur.

なお、図9に示す例では、横溝13の深さd(酸化剤側平板3と膜電極接合体1とを結ぶ方向の長さ)を、酸化剤ガスの流れの上流から下流に向かって徐々に小さくしていくことで、横溝13の酸化剤ガスの流れ方向に垂直な断面積を徐々に小さくさせている。すなわち、図9の例では、4つある横溝13の深さは、d1>d2>d3>d4となっている。   In the example shown in FIG. 9, the depth d of the lateral groove 13 (the length in the direction connecting the oxidant side flat plate 3 and the membrane electrode assembly 1) is gradually increased from the upstream side to the downstream side of the flow of the oxidant gas. The cross-sectional area perpendicular to the flow direction of the oxidant gas in the lateral groove 13 is gradually reduced by decreasing the distance. That is, in the example of FIG. 9, the depth of the four lateral grooves 13 is d1> d2> d3> d4.

横溝13の酸化剤ガスの流れ方向に垂直な断面積を、酸化剤ガスの流れの上流から下流に向かって小さくさせていくことにより、酸化剤側平板3と膜電極接合体1とを結ぶ方向における、流路溝13に対する酸化剤側多孔質ガス流路5の割合は、下流にいくほど多くなる。酸化剤側多孔質ガス流路5は、反応ガスを電極方向に拡散させる役割を担うため、酸化剤側多孔質ガス流路5の割合が多いほどガス拡散性が向上することが期待できる。従って、本実施例のような構成にすることにより、酸素濃度が減少する下流部でも、良好なガス拡散性を確保することができる。   The direction connecting the oxidant side flat plate 3 and the membrane electrode assembly 1 by reducing the cross-sectional area perpendicular to the flow direction of the oxidant gas in the lateral groove 13 from the upstream side to the downstream side of the flow of the oxidant gas. The ratio of the oxidant-side porous gas flow channel 5 to the flow channel groove 13 increases in the downstream direction. Since the oxidant side porous gas channel 5 plays a role of diffusing the reaction gas in the electrode direction, it can be expected that the gas diffusibility is improved as the ratio of the oxidant side porous gas channel 5 increases. Therefore, by adopting the configuration as in this embodiment, good gas diffusibility can be ensured even in the downstream portion where the oxygen concentration decreases.

図10A、図10B、図10C、及び図10Dを用いて、本発明の実施例4による酸化剤側セパレータ8を説明する。図10A〜図10Dは、本実施例における酸化剤側セパレータ8の酸化剤側多孔質ガス流路5の詳細を示す図である。図10Aは、酸化剤側多孔質ガス流路5を酸化剤側平板3から見たときの平面模式図であり、酸化剤側平板3と対向する面を示している。図10Bは、酸化剤側多孔質ガス流路5を膜電極接合体1から見たときの平面模式図であり、膜電極接合体1と対向する面を示している。図10Cは、酸化剤側多孔質ガス流路5の側断面を示す模式図であり、図10AのA−A’断面を示している。図10Dは、酸化剤側多孔質ガス流路5の側断面を示す模式図であり、図10AのB−B’断面を示している。図10A〜図10Dにおいて、実施例1と同一の符号は、実施例1と同一又は共通する要素を示す。実施例1と同一又は共通する構成の説明は省略する。   The oxidant-side separator 8 according to Example 4 of the present invention will be described with reference to FIGS. 10A, 10B, 10C, and 10D. 10A to 10D are views showing details of the oxidant-side porous gas channel 5 of the oxidant-side separator 8 in the present embodiment. FIG. 10A is a schematic plan view of the oxidant-side porous gas flow channel 5 when viewed from the oxidant-side flat plate 3, and shows a surface facing the oxidant-side flat plate 3. FIG. 10B is a schematic plan view of the oxidant-side porous gas flow channel 5 when viewed from the membrane electrode assembly 1 and shows a surface facing the membrane electrode assembly 1. FIG. 10C is a schematic diagram showing a side cross-section of the oxidant-side porous gas flow channel 5, and shows a cross-section A-A ′ of FIG. 10A. FIG. 10D is a schematic diagram showing a side cross-section of the oxidant-side porous gas channel 5, and shows a B-B ′ cross-section of FIG. 10A. 10A to 10D, the same reference numerals as those in the first embodiment indicate the same or common elements as those in the first embodiment. The description of the same or common configuration as the first embodiment is omitted.

本実施例では、図10A〜図10Dに示すように、酸化剤側セパレータ8は、2種類の流路溝17を備える。1つは、図10Cに示すように、酸化剤ガス入口側端部15において酸化剤側平板3に接する横溝13と、酸化剤ガス出口側端部16において膜電極接合体1に接する横溝13とを有する流路溝17である。すなわち、酸化剤ガスの流れ方向の最も上流側にある横溝13が酸化剤側平板3に接し、最も下流側にある横溝13が膜電極接合体1に接する流路溝17である。もう1つは、図10Dに示すように、酸化剤ガス入口側端部15において膜電極接合体1に接する横溝13と、酸化剤ガス出口側端部16において酸化剤側平板3に接する横溝13とを有する流路溝17である。すなわち、酸化剤ガスの流れ方向の最も上流側にある横溝13が膜電極接合体1に接し、最も下流側にある横溝13が酸化剤側平板3に接する流路溝17である。   In the present embodiment, as shown in FIGS. 10A to 10D, the oxidant side separator 8 includes two types of flow channel grooves 17. One is, as shown in FIG. 10C, a lateral groove 13 in contact with the oxidant side flat plate 3 at the oxidant gas inlet side end 15 and a lateral groove 13 in contact with the membrane electrode assembly 1 at the oxidant gas outlet side end 16. It is the channel groove 17 which has. That is, the lateral groove 13 on the most upstream side in the flow direction of the oxidant gas is in contact with the oxidant side flat plate 3, and the lateral groove 13 on the most downstream side is the flow channel groove 17 in contact with the membrane electrode assembly 1. The other is, as shown in FIG. 10D, a lateral groove 13 in contact with the membrane electrode assembly 1 at the oxidant gas inlet side end 15 and a lateral groove 13 in contact with the oxidant side flat plate 3 at the oxidant gas outlet side end 16. It is the channel groove 17 which has. That is, the lateral groove 13 on the most upstream side in the flow direction of the oxidant gas is in contact with the membrane electrode assembly 1, and the lateral groove 13 on the most downstream side is the flow channel groove 17 in contact with the oxidant side flat plate 3.

これら2種類の流路溝17は、図10Aと図10Bに示すように、酸化剤ガスの流れ方向に垂直な方向(かつ酸化剤側平板3と膜電極接合体1とを結ぶ方向に垂直な方向)において、交互に酸化剤側多孔質ガス流路5に配置される。すなわち、酸化剤ガスの流れ方向に垂直な方向(かつ酸化剤側平板3と膜電極接合体1とを結ぶ方向に垂直な方向)において隣り合う流路溝17が、異なる種類である。酸化剤側多孔質ガス流路5をこのような構成とすると、酸化剤ガスの流れ方向に垂直な方向(かつ酸化剤側平板3と膜電極接合体1とを結ぶ方向に垂直な方向)において隣り合う流路溝17が同じ種類である場合と比べ、酸化剤側多孔質ガス流路5の多孔体が保持する水分量を、酸化剤側多孔質ガス流路5の面内で一様にすることができる。   As shown in FIGS. 10A and 10B, these two types of flow channel grooves 17 are perpendicular to the direction of the oxidant gas flow (and perpendicular to the direction connecting the oxidant side flat plate 3 and the membrane electrode assembly 1). In the direction), the oxidant side porous gas flow paths 5 are alternately arranged. In other words, the adjacent channel grooves 17 in the direction perpendicular to the flow direction of the oxidant gas (and the direction perpendicular to the direction connecting the oxidant side flat plate 3 and the membrane electrode assembly 1) are of different types. When the oxidant side porous gas flow path 5 has such a configuration, in a direction perpendicular to the flow direction of the oxidant gas (and a direction perpendicular to the direction connecting the oxidant side flat plate 3 and the membrane electrode assembly 1). Compared to the case where the adjacent flow channel grooves 17 are of the same type, the amount of water retained by the porous body of the oxidant side porous gas flow channel 5 is made uniform in the plane of the oxidant side porous gas flow channel 5. can do.

酸化剤側多孔質ガス流路5のこのような構成は、実施例1〜3にも適用可能である。   Such a configuration of the oxidant-side porous gas flow path 5 is also applicable to the first to third embodiments.

図11を用いて、本発明の実施例5による酸化剤側セパレータ8を説明する。図11は、本実施例における酸化剤側セパレータ8の酸化剤側多孔質ガス流路5の側断面を示す模式図である。図11において、実施例1と同一の符号は、実施例1と同一又は共通する要素を示す。実施例1と同一又は共通する構成の説明は省略する。   An oxidant-side separator 8 according to Example 5 of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 11 is a schematic diagram showing a side cross section of the oxidant-side porous gas channel 5 of the oxidant-side separator 8 in the present embodiment. In FIG. 11, the same reference numerals as those in the first embodiment indicate the same or common elements as those in the first embodiment. The description of the same or common configuration as the first embodiment is omitted.

本実施例では、酸化剤側多孔質ガス流路5の流路溝17を形成する横溝13は、酸化剤ガスの流れる方向に対して斜めの方向に延伸する。図11の例では、横溝13は、酸化剤ガスの流れの上流から下流へ酸化剤側平板3から膜電極接合体1に向かって斜めに延伸する。横溝13は、酸化剤ガスの流れの上流から下流へ膜電極接合体1から酸化剤側平板3に向かって斜めに延伸してもよい。   In the present embodiment, the lateral groove 13 that forms the channel groove 17 of the oxidant-side porous gas channel 5 extends in an oblique direction with respect to the direction in which the oxidant gas flows. In the example of FIG. 11, the lateral groove 13 extends obliquely from the oxidant side flat plate 3 toward the membrane electrode assembly 1 from the upstream side to the downstream side of the flow of the oxidant gas. The lateral groove 13 may extend obliquely from the membrane electrode assembly 1 toward the oxidant side flat plate 3 from upstream to downstream of the flow of the oxidant gas.

なお、図11に示すような流路溝17が形成された酸化剤側多孔質ガス流路5でも、酸化剤側多孔質ガス流路5の、膜電極接合体1と対向する面(又は膜電極接合体1と対向する部分)には、疎水処理が施されており、酸化剤側平板3と対向する面(又は酸化剤側平板3と対向する部分)には、親水処理が施されている。   In the oxidant side porous gas flow channel 5 in which the flow channel grooves 17 as shown in FIG. 11 are formed, the surface (or membrane) of the oxidant side porous gas flow channel 5 facing the membrane electrode assembly 1. The portion facing the electrode assembly 1 is subjected to hydrophobic treatment, and the surface facing the oxidant side flat plate 3 (or the portion facing the oxidant side flat plate 3) is subjected to hydrophilic treatment. Yes.

流路溝17がこのように酸化剤側平板3と膜電極接合体1との間で折れ曲がっていても、実施例1による酸化剤側セパレータ8と同様に、酸化剤ガスの拡散性をより向上させることができ、電気化学反応により生成された水を、生成場所の近傍で、膜電極接合体1から酸化剤側平板3の方向へ速やかに移動させることができる。   Even when the flow channel groove 17 is bent between the oxidant side flat plate 3 and the membrane electrode assembly 1, the diffusing property of the oxidant gas is further improved in the same manner as the oxidant side separator 8 according to the first embodiment. The water generated by the electrochemical reaction can be quickly moved from the membrane electrode assembly 1 toward the oxidant side flat plate 3 in the vicinity of the generation site.

本実施例に示したような形状の流路溝17にも、図6〜図9、及び図10A〜図10Dに示したような変形を加えることが可能である。例えば、図8に示したように、横溝13の酸化剤ガスの流れ方向の長さが、酸化剤ガスの流れの上流から下流に向かって徐々に短くなっていくようにしてもよい。また、例えば、図9に示したように、横溝13の延伸方向(酸化剤ガスの流れ方向)に垂直な断面積が、酸化剤ガスの流れの上流から下流に向かって徐々に小さくなっていくようにしてもよい。   It is possible to add the deformation as shown in FIGS. 6 to 9 and FIGS. 10A to 10D to the channel groove 17 having the shape as shown in the present embodiment. For example, as shown in FIG. 8, the length of the lateral groove 13 in the flow direction of the oxidant gas may gradually decrease from the upstream side to the downstream side of the flow of the oxidant gas. For example, as shown in FIG. 9, the cross-sectional area perpendicular to the extending direction of the lateral groove 13 (the flow direction of the oxidant gas) gradually decreases from the upstream to the downstream of the flow of the oxidant gas. You may do it.

図12を用いて、本発明の実施例6による酸化剤側セパレータ8を説明する。図12は、本実施例における酸化剤側セパレータ8の酸化剤側多孔質ガス流路5の側断面を示す模式図である。図12において、実施例1と同一の符号は、実施例1と同一又は共通する要素を示す。実施例1と同一又は共通する構成の説明は省略する。   The oxidant side separator 8 according to Example 6 of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 12 is a schematic diagram showing a side cross section of the oxidant-side porous gas channel 5 of the oxidant-side separator 8 in the present embodiment. In FIG. 12, the same reference numerals as those in the first embodiment indicate the same or common elements as those in the first embodiment. The description of the same or common configuration as the first embodiment is omitted.

本実施例では、図12に示すように、酸化剤側多孔質ガス流路5には、酸化剤ガスの流れる方向に対して斜めの方向に延伸する複数の部分溝18、19からなる流路溝17が形成される。部分溝18、19の延伸する方向は、交互に変化する。図12の例では、酸化剤ガスの流れの上流から下流へ酸化剤側平板3から膜電極接合体1に向かって斜めに延伸する部分溝18と、酸化剤ガスの流れの上流から下流へ膜電極接合体1から酸化剤側平板3に向かって斜めに延伸する部分溝19とが、交互に配置されて、流路溝17が形成されている。   In the present embodiment, as shown in FIG. 12, the oxidant-side porous gas flow channel 5 includes a plurality of partial grooves 18 and 19 extending in a direction oblique to the direction in which the oxidant gas flows. A groove 17 is formed. The extending direction of the partial grooves 18 and 19 changes alternately. In the example of FIG. 12, a partial groove 18 extending obliquely from the oxidant side flat plate 3 toward the membrane electrode assembly 1 from upstream to downstream of the oxidant gas flow, and a film from upstream to downstream of the oxidant gas flow. The partial grooves 19 extending obliquely from the electrode assembly 1 toward the oxidant side flat plate 3 are alternately arranged to form the flow channel grooves 17.

このように、部分溝18、19によって、酸化剤側多孔質ガス流路5の中に酸化剤側平板3と膜電極接合体1との間で折れ曲がっている流路溝17が形成される。部分溝18、19のそれぞれは、延伸方向に垂直な断面積が、酸化剤側多孔質ガス流路5を形成する多孔体の平均細孔径から求めた平均細孔断面積よりも大きい。部分溝18、19により、酸化剤側多孔質ガス流路5には、全体として酸化剤ガスの流れ方向に沿う流路溝17が形成される。流路溝17は、酸化剤側平板3と膜電極接合体1との間でジグザグ状に折れ曲がって蛇行し、酸化剤ガスの流れの上流側から下流側に向かって延伸する。   Thus, the flow grooves 17 bent between the oxidant side flat plate 3 and the membrane electrode assembly 1 are formed in the oxidant side porous gas flow path 5 by the partial grooves 18 and 19. Each of the partial grooves 18 and 19 has a cross-sectional area perpendicular to the extending direction larger than the average pore cross-sectional area obtained from the average pore diameter of the porous body forming the oxidant-side porous gas flow channel 5. Due to the partial grooves 18 and 19, a flow path groove 17 is formed in the oxidant side porous gas flow path 5 as a whole along the flow direction of the oxidant gas. The channel groove 17 bends in a zigzag manner between the oxidant side flat plate 3 and the membrane electrode assembly 1, meanders, and extends from the upstream side to the downstream side of the flow of the oxidant gas.

なお、図12に示すような流路溝17が形成された酸化剤側多孔質ガス流路5でも、酸化剤側多孔質ガス流路5の、膜電極接合体1と対向する面(又は膜電極接合体1と対向する部分)には、疎水処理が施されており、酸化剤側平板3と対向する面(又は酸化剤側平板3と対向する部分)には、親水処理が施されている。   In the oxidant side porous gas flow channel 5 in which the flow channel grooves 17 as shown in FIG. 12 are formed, the surface (or membrane) of the oxidant side porous gas flow channel 5 facing the membrane electrode assembly 1. The portion facing the electrode assembly 1 is subjected to hydrophobic treatment, and the surface facing the oxidant side flat plate 3 (or the portion facing the oxidant side flat plate 3) is subjected to hydrophilic treatment. Yes.

このような形状の流路溝17でも、実施例1による酸化剤側セパレータ8と同様に、酸化剤ガスの拡散性をより向上させることができ、電気化学反応により生成された水を、生成場所の近傍で、膜電極接合体1から酸化剤側平板3の方向へ速やかに移動させることができる。   Even in the channel groove 17 having such a shape, as with the oxidant side separator 8 according to the first embodiment, the diffusibility of the oxidant gas can be further improved, and the water generated by the electrochemical reaction can be generated. , The membrane electrode assembly 1 can be quickly moved in the direction of the oxidant side flat plate 3.

また、酸化剤側多孔質ガス流路5の酸化剤ガス入口側端部15では、図12に示すように、部分溝18は、酸化剤側平板3に接するのが好ましい。すなわち、酸化剤ガスの流れ方向の最も上流側にある部分溝18は、酸化剤側平板3に接するのが好ましい。これは、上述の実施例と同様に、酸化剤ガスの流れの上流側(電気化学反応により発生した水の量が少ない部分)において、酸化剤ガスの流通により膜電極接合体1が乾燥するのを防ぐためである。   Further, at the oxidant gas inlet side end 15 of the oxidant side porous gas flow path 5, as shown in FIG. 12, the partial groove 18 is preferably in contact with the oxidant side flat plate 3. That is, it is preferable that the partial groove 18 on the most upstream side in the flow direction of the oxidant gas is in contact with the oxidant side flat plate 3. This is because the membrane electrode assembly 1 is dried by the flow of the oxidant gas on the upstream side of the flow of the oxidant gas (part where the amount of water generated by the electrochemical reaction is small), as in the above-described embodiment. Is to prevent.

本実施例に示したような形状の流路溝17にも、図6〜図9、及び図10A〜図10Dに示したような変形を加えることが可能である。例えば、図8に示したように、流路溝17を形成する部分溝18、19の酸化剤ガスの流れ方向の長さが、酸化剤ガスの流れの上流から下流に向かって徐々に短くなっていくようにしてもよい。また、例えば、図9に示したように、流路溝17を形成する部分溝18、19の延伸方向(酸化剤ガスの流れ方向)に垂直な断面積が、酸化剤ガスの流れの上流から下流に向かって徐々に小さくなっていくようにしてもよい。   It is possible to add the deformation as shown in FIGS. 6 to 9 and FIGS. 10A to 10D to the channel groove 17 having the shape as shown in the present embodiment. For example, as shown in FIG. 8, the length in the flow direction of the oxidant gas in the partial grooves 18 and 19 forming the flow channel groove 17 gradually decreases from the upstream to the downstream of the flow of the oxidant gas. You may make it go. For example, as shown in FIG. 9, the cross-sectional area perpendicular to the extending direction (oxidant gas flow direction) of the partial grooves 18 and 19 forming the flow channel groove 17 is from the upstream of the flow of the oxidant gas. You may make it become small gradually toward the downstream.

1…膜電極接合体、2…燃料側平板、3…酸化剤側平板、4…燃料側多孔質ガス流路、5…酸化剤側多孔質ガス流路、6…冷却流路、7…燃料側セパレータ、8…酸化剤側セパレータ、13…横溝、14…縦溝、15…酸化剤ガス入口側端部、16…酸化剤ガス出口側端部、17…流路溝、18、19…部分溝。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Membrane electrode assembly, 2 ... Fuel side flat plate, 3 ... Oxidant side flat plate, 4 ... Fuel side porous gas channel, 5 ... Oxidant side porous gas channel, 6 ... Cooling channel, 7 ... Fuel Side separator, 8 ... Oxidant side separator, 13 ... Transverse groove, 14 ... Vertical groove, 15 ... Oxidant gas inlet side end, 16 ... Oxidant gas outlet side end, 17 ... Channel groove, 18, 19 ... part groove.

Claims (12)

多孔体で形成され膜電極接合体に接し反応ガスが流れる反応ガス流路と、前記反応ガス流路に接する導電性平板とを備える燃料電池用セパレータであって、
前記反応ガス流路には、流路溝が前記反応ガスの流れ方向に沿って形成されており、
前記流路溝は、延伸方向に垂直な断面積が、前記反応ガス流路を形成する多孔体の細孔の断面積の平均値よりも大きく、且つ、前記流路溝は、複数の部分溝からなり、隣接する前記部分溝の延伸方向が、前記導電性平板と前記膜電極接合体とを結ぶ方向において互いに異なることを特徴とする燃料電池用セパレータ。
A fuel cell separator comprising a reaction gas channel formed of a porous body and in contact with a membrane electrode assembly and through which a reaction gas flows, and a conductive flat plate in contact with the reaction gas channel,
In the reaction gas channel, a channel groove is formed along the flow direction of the reaction gas,
The flow channel has a cross-sectional area perpendicular to the extending direction larger than the average value of the cross-sectional areas of the pores of the porous body forming the reaction gas flow channel, and the flow channel has a plurality of partial grooves. The fuel cell separator is characterized in that extending directions of the adjacent partial grooves are different from each other in a direction connecting the conductive flat plate and the membrane electrode assembly.
前記流路溝は、複数の前記部分溝として、前記反応ガスの流れ方向に延伸する複数の横溝と、前記導電性平板と前記膜電極接合体とを結ぶ方向に延伸して前記横溝を接続する複数の縦溝とを備える、請求項1記載の燃料電池用セパレータ。   The channel groove is connected to the lateral groove by extending in a direction connecting the conductive flat plate and the membrane electrode assembly as a plurality of partial grooves extending in the reactive gas flow direction. The fuel cell separator according to claim 1, comprising a plurality of longitudinal grooves. 複数の前記横溝のそれぞれは、前記導電性平板又は前記膜電極接合体に接し、
前記導電性平板に接する前記横溝と前記膜電極接合体に接する前記横溝は、前記反応ガスの流れ方向に沿って交互に配置される、請求項2記載の燃料電池用セパレータ。
Each of the plurality of lateral grooves is in contact with the conductive flat plate or the membrane electrode assembly,
3. The fuel cell separator according to claim 2, wherein the lateral grooves in contact with the conductive flat plate and the lateral grooves in contact with the membrane electrode assembly are alternately arranged along a flow direction of the reaction gas.
複数の前記横溝は、前記反応ガスの流れ方向に垂直な断面積が、前記反応ガスの流れの上流から下流に向かって小さくなっていく、請求項2記載の燃料電池用セパレータ。   3. The fuel cell separator according to claim 2, wherein each of the plurality of lateral grooves has a cross-sectional area perpendicular to the flow direction of the reaction gas that decreases from upstream to downstream of the flow of the reaction gas. 複数の前記横溝は、前記導電性平板と前記膜電極接合体とを結ぶ方向の長さが、前記反応ガスの流れの上流から下流に向かって小さくなっていく、請求項2記載の燃料電池用セパレータ。   3. The fuel cell according to claim 2, wherein a length of the plurality of lateral grooves in a direction connecting the conductive flat plate and the membrane electrode assembly decreases from an upstream side to a downstream side of the flow of the reaction gas. Separator. 複数の前記横溝のうち、前記反応ガスの流れ方向の最も上流側にある横溝は、前記導電性平板に接する、請求項2記載の燃料電池用セパレータ。   3. The fuel cell separator according to claim 2, wherein among the plurality of lateral grooves, the lateral groove on the most upstream side in the flow direction of the reaction gas is in contact with the conductive flat plate. 複数の前記横溝は、前記反応ガスの流れ方向の長さが、前記反応ガスの流れの上流から下流に向かって小さくなっていく、請求項2記載の燃料電池用セパレータ。   3. The fuel cell separator according to claim 2, wherein the plurality of horizontal grooves have a length in a flow direction of the reactive gas that decreases from an upstream side to a downstream side of the reactive gas flow. 4. 前記流路溝は、前記反応ガスの流れの上流から下流に沿って前記導電性平板から前記膜電極接合体に向かって斜めに延伸する前記部分溝と、前記反応ガスの流れの上流から下流に沿って前記膜電極接合体から前記導電性平板に向かって斜めに延伸する前記部分溝とが、交互に配置されて形成されている、請求項1記載の燃料電池用セパレータ。   The channel groove includes the partial groove extending obliquely from the conductive plate toward the membrane electrode assembly along the upstream to downstream of the reaction gas flow, and from the upstream to the downstream of the reaction gas flow. 2. The fuel cell separator according to claim 1, wherein the partial grooves extending obliquely from the membrane electrode assembly toward the conductive flat plate are alternately arranged. 複数の前記部分溝は、前記反応ガスの流れ方向に垂直な断面積が、前記反応ガスの流れの上流から下流に向かって小さくなっていく、請求項8記載の燃料電池用セパレータ。   9. The fuel cell separator according to claim 8, wherein the plurality of partial grooves have a cross-sectional area perpendicular to the flow direction of the reaction gas that decreases from the upstream to the downstream of the flow of the reaction gas. 複数の前記部分溝は、前記導電性平板と前記膜電極接合体とを結ぶ方向の長さが、前記反応ガスの流れの上流から下流に向かって小さくなっていく、請求項8記載の燃料電池用セパレータ。   The fuel cell according to claim 8, wherein the plurality of partial grooves have a length in a direction connecting the conductive flat plate and the membrane electrode assembly that decreases from an upstream side to a downstream side of the flow of the reactive gas. Separator for use. 複数の前記部分溝のうち、前記反応ガスの流れ方向の最も上流側にある部分溝は、前記導電性平板に接する、請求項8記載の燃料電池用セパレータ。   9. The fuel cell separator according to claim 8, wherein, among the plurality of partial grooves, a partial groove on the most upstream side in the flow direction of the reaction gas is in contact with the conductive flat plate. 複数の前記部分溝は、前記反応ガスの流れ方向の長さが、前記反応ガスの流れの上流から下流に向かって小さくなっていく、請求項8記載の燃料電池用セパレータ。   9. The fuel cell separator according to claim 8, wherein the plurality of partial grooves have a length in a flow direction of the reactive gas that decreases from an upstream side to a downstream side of the reactive gas flow.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102324396B1 (en) * 2021-08-30 2021-11-11 한국에너지기술연구원 Cell Frame for Minimal Leak Current on Water Electrolysis Device

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