JP2014036012A - Separator for fuel cell - Google Patents
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Abstract
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.
2H2+O2 → 2H2O+(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。
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.
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
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
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
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
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-
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
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
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
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
(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
(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
(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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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、TiO2やSiO2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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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-
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
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
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
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
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
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-
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
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
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
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-
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
Claims (12)
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.
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KR102324396B1 (en) * | 2021-08-30 | 2021-11-11 | 한국에너지기술연구원 | Cell Frame for Minimal Leak Current on Water Electrolysis Device |
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2012
- 2012-08-10 JP JP2012178656A patent/JP2014036012A/en active Pending
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