JP2014038750A - Fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、固体高分子電解質膜の両側にそれぞれ電極が設けられる電解質膜・電極構造体と、横長形状の金属セパレータとが、立位姿勢で水平方向に沿って積層される燃料電池に関する。 The present invention relates to a fuel cell in which an electrolyte membrane / electrode structure provided with electrodes on both sides of a solid polymer electrolyte membrane and a horizontally elongated metal separator are stacked in a horizontal position in a standing posture.
例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる固体高分子電解質膜の両側に、それぞれアノード電極及びカソード電極を設けた電解質膜・電極構造体(MEA)を、一対のセパレータによって挟持した発電セルを構成している。燃料電池は、通常、複数の発電セルが積層されて燃料電池スタックを構成するとともに、定置用の他、車載用として燃料電池車両に組み込まれることにより、車載用燃料電池システムとして使用されている。 For example, in a polymer electrolyte fuel cell, an electrolyte membrane / electrode structure (MEA) provided with an anode electrode and a cathode electrode on both sides of a solid polymer electrolyte membrane made of a polymer ion exchange membrane is formed by a pair of separators. The sandwiched power generation cell is configured. A fuel cell is normally used as an in-vehicle fuel cell system by stacking a plurality of power generation cells to form a fuel cell stack and being incorporated in a fuel cell vehicle for in-vehicle use in addition to stationary use.
上記の燃料電池では、セパレータの面内に、アノード電極に燃料ガスを流すための燃料ガス流路(以下、反応ガス流路ともいう)と、カソード電極に酸化剤ガスを流すための酸化剤ガス流路(以下、反応ガス流路ともいう)とが設けられている。さらに、発電セル毎又は複数の発電セル毎に、冷却媒体を流すための冷却媒体流路がセパレータの面方向に沿って設けられている。 In the above fuel cell, a fuel gas channel (hereinafter also referred to as a reaction gas channel) for flowing a fuel gas to the anode electrode and an oxidant gas for flowing an oxidant gas to the cathode electrode in the plane of the separator A flow path (hereinafter also referred to as a reaction gas flow path) is provided. Furthermore, a cooling medium flow path for flowing the cooling medium is provided along the surface direction of the separator for each power generation cell or for each of the plurality of power generation cells.
ところで、セパレータの面内では、冷却媒体の流配や外部への放熱等により、反応ガス流路の中央付近の温度が高くなり易い。このため、例えば、特許文献1に開示されている燃料電池では、図7に示すように、酸化剤ガスセパレータ1に酸化剤ガス流路2が設けられている。
By the way, in the plane of the separator, the temperature in the vicinity of the center of the reaction gas channel tends to increase due to the flow of the cooling medium, heat radiation to the outside, and the like. For this reason, for example, in the fuel cell disclosed in
酸化剤ガス流路2は、水平方向に延在する複数本のリブ部2a間に形成される複数本の酸化剤ガス流路溝2bを有している。酸化剤ガス流路2は、酸化剤ガス供給マニホールド3aと酸化剤ガス排出マニホールド3bとに連通している。酸化剤ガス流路溝2bは、セパレータ面内の端部から中央にかけてそれぞれの断面積を大きくしている。これにより、酸化剤ガス流路2の中央付近を流れる酸化剤ガスの質量流量が低下することを防止する、としている。
The oxidant
上記の酸化剤ガスセパレータ1では、低負荷運転や低加湿運転において、冷媒流配や外部放熱が多い部分、すなわち、酸化剤ガス流路2の重力方向下方及び上方における相対湿度が高くなっている。このため、膜抵抗が低下して反応が集中することにより、生成水が増加し易くなっている。従って、セパレータ面内には、液滴(水)が滞留する滞留水領域4a、4bが存在するという問題がある。
In the
特に、特許文献1では、酸化剤ガス流路2の重力方向下方及び上方のリブ部2a同士の間隔が、前記酸化剤ガス流路2の重力方向中央のリブ部2a同士の間隔よりも小さく設定されている。これにより、酸化剤ガス流路2の重力方向下方及び上方では、リブ部2aと電解質膜・電極構造体(図示せず)との接触面積が前記酸化剤ガス流路2の重力方向中央に比べて大きくなり、接触抵抗が下がって生成水がさらに増加するという問題がある。
In particular, in
本発明は、この種の問題を解決するものであり、簡単な構成で、セパレータ面内の滞留水を良好に削減することができ、安定した発電を行うことが可能な燃料電池を提供することを目的とする。 The present invention solves this type of problem, and provides a fuel cell capable of reducing the accumulated water in the separator surface with a simple configuration and capable of performing stable power generation. With the goal.
本発明は、固体高分子電解質膜の両側にそれぞれ電極が設けられる電解質膜・電極構造体と、金属板を波形状に成形した横長形状の金属セパレータとが、立位姿勢で水平方向に沿って積層されるとともに、酸化剤ガス又は燃料ガスである反応ガスを水平方向に沿って流通させる反応ガス流路が、前記電解質膜・電極構造体に接触する前記金属セパレータの凸部間に設けられる燃料電池に関するものである。 In the present invention, an electrolyte membrane / electrode structure in which electrodes are respectively provided on both sides of a solid polymer electrolyte membrane, and a horizontally long metal separator formed by corrugating a metal plate, are in a standing posture along the horizontal direction. A fuel that is stacked and has a reaction gas flow path that circulates a reaction gas that is an oxidant gas or a fuel gas along the horizontal direction, provided between the convex portions of the metal separator that contacts the electrolyte membrane / electrode structure. It relates to batteries.
金属セパレータは、水平方向一端に反応ガスを反応ガス流路に供給する反応ガス供給口を設け、且つ、水平方向他端に前記反応ガスを前記反応ガス流路から排出する反応ガス排出口を設けている。そして、金属セパレータの重力方向上方及び下方に設けられた凸部である第1凸部と電解質膜・電極構造体との単位面積当たりの第1接触面積は、前記金属セパレータの重力方向中央に設けられた前記凸部である第2凸部と前記電解質膜・電極構造体との単位面積当たりの第2接触面積よりも小さい。 The metal separator is provided with a reaction gas supply port for supplying a reaction gas to the reaction gas channel at one end in the horizontal direction, and a reaction gas discharge port for discharging the reaction gas from the reaction gas channel at the other end in the horizontal direction. ing. And the 1st contact area per unit area of the 1st convex part which is a convex part provided in the gravity direction upper part and the lower part of a metal separator, and an electrolyte membrane electrode structure is provided in the gravity direction center of the metal separator. It is smaller than the 2nd contact area per unit area of the 2nd convex part which is the said convex part, and the said electrolyte membrane and electrode structure.
また、この燃料電池では、第1凸部の電解質膜・電極構造体に接触する上下方向の幅寸法は、第2凸部の前記電解質膜・電極構造体に接触する上下方向の幅寸法よりも小さいことが好ましい。 Further, in this fuel cell, the vertical width dimension of the first convex portion contacting the electrolyte membrane / electrode structure is larger than the vertical dimension of the second convex portion contacting the electrolyte membrane / electrode structure. Small is preferable.
さらに、この燃料電池では、金属セパレータは、電解質膜・電極構造体との接触部位に金メッキ処理が施されるとともに、第1接触面積に設定される第1接触部位の金メッキ量は、第2接触面積に設定される第2接触部位の金メッキ量よりも少ないことが好ましい。 Further, in this fuel cell, the metal separator is subjected to a gold plating process on the contact portion with the electrolyte membrane / electrode structure, and the gold plating amount of the first contact portion set to the first contact area is the second contact amount. The amount is preferably smaller than the gold plating amount of the second contact portion set to the area.
さらにまた、この燃料電池では、第1凸部同士の離間間隔は、第2凸部同士の離間間隔よりも大きいことが好ましい。 Furthermore, in this fuel cell, it is preferable that the spacing between the first protrusions is greater than the spacing between the second protrusions.
また、この燃料電池では、金属セパレータは、水平方向一端に反応ガスを反応ガス流路に供給する反応ガス供給口を設け、且つ、水平方向他端に前記反応ガスを前記反応ガス流路から排出する反応ガス排出口を設けるとともに、前記金属セパレータの重力方向上方及び下方に設けられた凸部である第1凸部同士の離間間隔は、前記金属セパレータの重力方向中央に設けられた前記凸部である第2凸部同士の離間間隔よりも大きくなっている。 In this fuel cell, the metal separator has a reaction gas supply port for supplying a reaction gas to the reaction gas channel at one end in the horizontal direction, and discharges the reaction gas from the reaction gas channel at the other end in the horizontal direction. The spacing between the first protrusions, which are the protrusions provided above and below the gravity direction of the metal separator, is provided in the center of the metal separator in the gravity direction. This is larger than the spacing between the second convex portions.
本発明では、金属セパレータの重力方向上方及び下方の第1接触面積が、前記金属セパレータの重力方向中央の第2接触面積よりも小さく設定されている。また、第1凸部同士の離間間隔は、第2凸部同士の離間間隔よりも大きく設定されている。 In this invention, the 1st contact area of the gravity direction upper direction and the downward direction of a metal separator is set smaller than the 2nd contact area of the gravity direction center of the said metal separator. Moreover, the separation interval between the first protrusions is set to be larger than the separation interval between the second protrusions.
このため、金属セパレータの重力方向上方及び下方では、重力方向中央に比べて電解質膜・電極構造体との接触抵抗が増加し、発電密度が低下する。従って、生成水量が減少するため、液滴の発生を良好に抑制することができる。これにより、簡単な構成で、セパレータ面内の滞留水を良好に削減することができ、安定した発電を行うことが可能になる。 For this reason, the contact resistance with the electrolyte membrane / electrode structure is increased above and below the gravity direction of the metal separator as compared with the center in the gravity direction, and the power generation density is reduced. Accordingly, since the amount of generated water is reduced, the generation of droplets can be satisfactorily suppressed. Thereby, with a simple structure, the stagnant water in a separator surface can be reduced favorably, and it becomes possible to perform stable electric power generation.
図1及び図2に示すように、本発明の第1の実施形態に係る燃料電池10は、複数の発電セル12が立位姿勢で水平方向(矢印A方向)に積層される。
As shown in FIGS. 1 and 2, in the
発電セル12は、電解質膜・電極構造体(MEA)16と、前記電解質膜・電極構造体16を挟持する横長形状の第1金属セパレータ18及び第2金属セパレータ20とを備える。第1金属セパレータ18及び第2金属セパレータ20は、薄板状の金属プレートを、それぞれ波形状やディンプル形状等にプレス加工することにより、断面凹凸形状を有する(図2参照)。
The
発電セル12の長辺方向(図1中、矢印B方向)の一端縁部には、矢印A方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス供給連通孔26a、冷却媒体を供給するための冷却媒体供給連通孔28a、及び燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出するための燃料ガス排出連通孔30bが設けられる。
An oxidant gas supply for supplying an oxidant gas, for example, an oxygen-containing gas, to one end edge of the
発電セル12の長辺方向の他端縁部には、矢印A方向に互いに連通して、燃料ガスを供給するための燃料ガス供給連通孔30a、冷却媒体を排出するための冷却媒体排出連通孔28b、及び酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出連通孔26bが設けられる。
The other end edge in the long side direction of the
図3に示すように、第1金属セパレータ18の電解質膜・電極構造体16に向かう面18aには、酸化剤ガス供給連通孔26aと酸化剤ガス排出連通孔26bとを連通する酸化剤ガス流路(反応ガス流路)38が形成される。酸化剤ガス流路38は、例えば、矢印B方向(水平方向)に延在し電解質膜・電極構造体16に接触する複数本の凸部38aと、前記凸部38a間に形成される複数本の酸化剤ガス流路溝38bとを有する。
As shown in FIG. 3, on the
第1金属セパレータ18の重力方向上方及び下方に設けられた第1凸部38a(e)と電解質膜・電極構造体16との単位面積当たりの第1接触面積は、前記第1金属セパレータ18の重力方向中央に設けられた第2凸部38a(c)と前記電解質膜・電極構造体16との単位面積当たりの第2接触面積よりも小さく設定される。
The first contact area per unit area between the
具体的には、図2及び図3に示すように、第1凸部38a(e)の幅寸法(矢印C方向の寸法)h1は、第2凸部38a(c)の幅寸法(矢印C方向の寸法)h2よりも小さな寸法に設定される(h1<h2)。第1凸部38a(e)は、それぞれ上下に所定の数ずつ設けられる。すなわち、第1凸部38a(e)の個数は、酸化剤ガス流路38の上部及び下部の滞留水発生領域に対応して設定することができる。なお、外側から内側に向かって、幅寸法h1から幅寸法h2に段階的に大きな寸法に設定してもよい。
Specifically, as shown in FIGS. 2 and 3, the width dimension (dimension in the direction of arrow C) h1 of the
第1接触面積に設定される第1接触部位である第1凸部38a(e)には、第1金メッキ層39aが設けられるとともに、第2接触面積に設定される第2接触部位である第2凸部38a(c)には、第2金メッキ層39bが設けられる。図2に示すように、第1金メッキ層39aの単位面積当たりの金メッキ量は、第2金メッキ層39bの金メッキ量よりも少なく設定される。
A first
図3に示すように、酸化剤ガス流路38の入口側には、複数のエンボス40aeを有する入口バッファ部40aが設けられるとともに、前記酸化剤ガス流路38の出口側には、複数のエンボス40beを有する出口バッファ部40bが設けられる。
As shown in FIG. 3, an
図1に示すように、第2金属セパレータ20の電解質膜・電極構造体16に向かう面20aには、燃料ガス供給連通孔30aと燃料ガス排出連通孔30bとを連通する燃料ガス流路(反応ガス流路)42が形成される。この燃料ガス流路42は、例えば、矢印B方向に延在する複数本の凸部42aと、前記凸部42a間に形成される複数本の燃料ガス流路溝42bとを有する。
As shown in FIG. 1, a fuel gas flow path (reaction) that connects a fuel gas
第2金属セパレータ20の重力方向上方及び下方に設けられた第1凸部42a(e)と電解質膜・電極構造体16との単位面積当たりの第1接触面積は、前記第2金属セパレータ20の重力方向中央に設けられた第2凸部42a(c)と前記電解質膜・電極構造体16との単位面積当たりの第2接触面積よりも小さく設定される。
The first contact area per unit area between the first
具体的には、図2に示すように、第1凸部42a(e)の幅寸法(矢印C方向の寸法)h3は、第2凸部42a(c)の幅寸法h4よりも小さな寸法に設定される(h3<h4)。第1凸部42a(e)は、それぞれ上下に所定の数ずつ設けられる。すなわち、第1凸部42a(e)の個数は、燃料ガス流路42の上部及び下部の滞留水発生領域に対応して設定することができる。なお、外側から内側に向かって、幅寸法h3から幅寸法h4に段階的に大きな寸法に設定してもよい。
Specifically, as shown in FIG. 2, the width dimension (dimension in the direction of arrow C) h3 of the
第1接触面積に設定される第1接触部位である第1凸部42a(e)には、第1金メッキ層39cが設けられるとともに、第2接触面積に設定される第2接触部位である第2凸部42a(c)には、第2金メッキ層39dが設けられる。図2に示すように、第1金メッキ層39cの単位面積当たりの金メッキ量は、第2金メッキ層39dの金メッキ量よりも少なく設定される。
A first
図2に示すように、第1金属セパレータ18と第2金属セパレータ20とは、電解質膜・電極構造体16を挟持して積層された状態で、第1凸部38a(e)と第1凸部42a(e)とが互いに積層方向に重なり合っている。
As shown in FIG. 2, the
図1に示すように、燃料ガス流路42の入口側には、複数のエンボス43aeを有する入口バッファ部43aが設けられるとともに、前記燃料ガス流路42の出口側には、複数のエンボス43beを有する出口バッファ部43bが設けられる。電解質膜・電極構造体16は、両側からエンボス40ae、40beと43be、43aeとで挟持される。なお、以下に説明する第2の実施形態でも同様である。
As shown in FIG. 1, an
第1金属セパレータ18の面18bと第2金属セパレータ20の面20bとの間には、冷却媒体供給連通孔28aと冷却媒体排出連通孔28bとを連通する冷却媒体流路44が一体的に形成される。冷却媒体流路44は、酸化剤ガス流路38及び燃料ガス流路42の裏面形状を重ね合わせて構成される。
Between the
第1金属セパレータ18の面18a、18bには、この第1金属セパレータ18の外周端部を周回して第1シール部材46が一体成形される。第2金属セパレータ20の面20a、20bには、この第2金属セパレータ20の外周端部を周回して第2シール部材48が一体成形される。
A
第1シール部材46及び第2シール部材48は、例えば、EPDM、NBR、フッ素ゴム、シリコーンゴム、フロロシリコーンゴム、ブチルゴム、天然ゴム、スチレンゴム、クロロプレーン、又はアクリルゴム等のシール材、クッション材、あるいはパッキン材等の弾性を有するシール部材を使用する。
The
第1シール部材46は、図1及び図3に示すように、面18a、18b上に均一な厚さを有して成形される平面シール部46aを有する。第1シール部材46は、面18a側で平面シール部46aから突出し、酸化剤ガス供給連通孔26a及び酸化剤ガス排出連通孔26bと酸化剤ガス流路38とを連通させる凸状シール部46bを有する(図3参照)。
As shown in FIGS. 1 and 3, the
第1シール部材46は、面18b側で平面シール部46aから突出し、冷却媒体供給連通孔28a及び冷却媒体排出連通孔28bと冷却媒体流路44とを連通させる凸状シール部46cを有する(図1参照)。
The
第2シール部材48は、面20a、20b上に均一な厚さを有して形成される平面シール部48aを有する。第2シール部材48は、面20a側で平面シール部48aから突出し、燃料ガス供給連通孔30a及び燃料ガス排出連通孔30bを燃料ガス流路42に連通する凸状シール部48bを有する。
The
図2に示すように、電解質膜・電極構造体16は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜50と、前記固体高分子電解質膜50を挟持するカソード電極52及びアノード電極54とを備える。固体高分子電解質膜50は、カソード電極52及びアノード電極54よりも大きな表面積に設定され、外周縁部が前記カソード電極52及び前記アノード電極54の外周端部から外方に突出する。
As shown in FIG. 2, the electrolyte membrane /
カソード電極52及びアノード電極54は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層52a、54aと、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が前記ガス拡散層52a、54aの表面に一様に塗布された電極触媒層52b、54bとを有する。
In the
電極触媒層52b、54bは、固体高分子電解質膜50の両面に形成され、前記電極触媒層52b、54bの外周端部は、第1金属セパレータ18の凸部と第2金属セパレータ20の凸部とにより挟持される。なお、以下に説明する第2の実施形態でも同様である。
The electrode catalyst layers 52b and 54b are formed on both surfaces of the solid
このように構成される燃料電池10の動作について、以下に説明する。
The operation of the
図1に示すように、燃料電池10内では、酸化剤ガス供給連通孔26aに酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス供給連通孔30aに水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、冷却媒体供給連通孔28aに純水やエチレングリコール等の冷却媒体が供給される。このため、各発電セル12では、酸化剤ガス、燃料ガス及び冷却媒体が、それぞれ矢印A方向に供給される。
As shown in FIG. 1, in the
酸化剤ガスは、図3に示すように、酸化剤ガス供給連通孔26aから第1金属セパレータ18の酸化剤ガス流路38に導入され、電解質膜・電極構造体16のカソード電極52に沿って移動する。一方、燃料ガスは、図1に示すように、燃料ガス供給連通孔30aから第2金属セパレータ20の燃料ガス流路42に導入され、電解質膜・電極構造体16のアノード電極54に沿って移動する。
As shown in FIG. 3, the oxidant gas is introduced into the oxidant
従って、各電解質膜・電極構造体16では、カソード電極52に供給される酸化剤ガスと、アノード電極54に供給される燃料ガスとが、電極触媒層52b、54b内で電気化学反応により消費され、発電が行われる。
Therefore, in each electrolyte membrane /
次いで、カソード電極52に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス排出連通孔26bに排出されて、矢印A方向に流動する。同様に、アノード電極54に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス排出連通孔30bに排出されて、矢印A方向に流動する。
Next, the oxidant gas consumed by being supplied to the
また、冷却媒体は、冷却媒体供給連通孔28aから第1金属セパレータ18及び第2金属セパレータ20間の冷却媒体流路44に導入された後、矢印B方向に沿って流動する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体16を冷却した後、冷却媒体排出連通孔28bを移動して燃料電池10から排出される。
The cooling medium flows through the cooling medium
この場合、第1の実施形態では、図2及び図3に示すように、第1金属セパレータ18の重力方向上方及び下方に設けられた第1凸部38a(e)と電解質膜・電極構造体16との単位面積当たりの第1接触面積は、前記第1金属セパレータ18の重力方向中央に設けられた第2凸部38a(c)と前記電解質膜・電極構造体16との単位面積当たりの第2接触面積よりも小さく設定されている。
In this case, in the first embodiment, as shown in FIGS. 2 and 3, the
このため、特に液滴が発生し易い第1金属セパレータ18の重力方向上方及び下方では、重力方向中央に比べて電解質膜・電極構造体16との接触抵抗値が増加し、発電密度が低下する。従って、第1金属セパレータ18の面内において、重力方向上方及び下方の生成水量が減少するため、液滴の発生を良好に抑制することができる。
For this reason, the contact resistance value with the electrolyte membrane /
しかも、第1凸部38a(e)に設けられる第1金メッキ層39aの金メッキ量は、第2凸部38a(c)に設けられる第2金メッキ層39bの金メッキ量よりも少なく設定されている。すなわち、金メッキ量を削減することにより、接触抵抗値を上げることが可能になる。
Moreover, the gold plating amount of the first
これにより、簡単な構成で、第1金属セパレータ18のセパレータ面内の滞留水を良好に削減することができ、安定した発電を行うことが可能になるという効果が得られる。
Thereby, with the simple structure, the stagnant water in the separator surface of the
一方、第2金属セパレータ20の重力方向上方及び下方に設けられた第1凸部42a(e)と電解質膜・電極構造体16との単位面積当たりの第1接触面積は、前記第2金属セパレータ20の重力方向中央に設けられた第2凸部42a(c)と前記電解質膜・電極構造体16との単位面積当たりの第2接触面積よりも小さく設定されている。
On the other hand, the first contact area per unit area between the first
しかも、第1凸部42a(e)に設けられる第1金メッキ層39cの金メッキ量は、第2凸部42a(c)に設けられる第2金メッキ層39dの金メッキ量よりも少なく設定されている。すなわち、金メッキ量を削減することにより、接触抵抗値を上げることが可能になる。
Moreover, the gold plating amount of the first
このため、第2金属セパレータ20の面内において、特に液滴が発生し易い重力方向上方及び下方の生成水量が減少し、液滴の発生を良好に抑制することができる。これにより、簡単な構成で、第2金属セパレータ20のセパレータ面内の滞留水を良好に削減することができ、安定した発電を行うことが可能になるという効果が得られる。
For this reason, in the surface of the
図4は、本発明の第2の実施形態に係る燃料電池60を構成する発電セル62の分解斜視説明図である。なお、第1の実施形態に係る燃料電池10と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。
FIG. 4 is an exploded perspective view of the
発電セル62は、電解質膜・電極構造体16と、前記電解質膜・電極構造体16を挟持する横長形状の第1金属セパレータ64及び第2金属セパレータ66とを備える(図4及び図5参照)。
The
図6に示すように、第1金属セパレータ64の電解質膜・電極構造体16に向かう面64aには、酸化剤ガス供給連通孔26aと酸化剤ガス排出連通孔26bとを連通する酸化剤ガス流路(反応ガス流路)68が形成される。酸化剤ガス流路68は、例えば、矢印B方向(水平方向)に延在し電解質膜・電極構造体16に接触する複数本の凸部68aと、前記凸部68a間に形成される複数本の酸化剤ガス流路溝68bとを有する。
As shown in FIG. 6, on the
第1金属セパレータ64の重力方向上方及び下方に設けられた第1凸部68a(e)と電解質膜・電極構造体16との単位面積当たりの第1接触面積は、前記第1金属セパレータ64の重力方向中央に設けられた第2凸部68a(c)と前記電解質膜・電極構造体16との単位面積当たりの第2接触面積よりも小さく設定される。
The first contact area per unit area between the
具体的には、図5及び図6に示すように、第1凸部68a(e)同士の離間間隔(矢印C方向の間隔)S1は、第2凸部68a(c)同士の離間間隔S2よりも大きな寸法に設定される(S2<S1)。第1凸部68a(e)は、それぞれ上下に所定の数ずつ設けられる。すなわち、第1凸部68a(e)の個数は、酸化剤ガス流路68の上部及び下部の滞留水発生領域に対応して設定することができる。なお、外側から内側に向かって、幅寸法h1から幅寸法h2に段階的に小さな寸法に設定してもよい。
Specifically, as shown in FIGS. 5 and 6, the separation interval (interval in the direction of arrow C) S1 between the
図4に示すように、第2金属セパレータ66の電解質膜・電極構造体16に向かう面66aには、燃料ガス供給連通孔30aと燃料ガス排出連通孔30bとを連通する燃料ガス流路(反応ガス流路)70が形成される。燃料ガス流路70は、例えば、矢印B方向(水平方向)に延在し電解質膜・電極構造体16に接触する複数本の凸部70aと、前記凸部70a間に形成される複数本の燃料ガス流路溝70bとを有する。
As shown in FIG. 4, the
第2金属セパレータ66の重力方向上方及び下方に設けられた第1凸部70a(e)と電解質膜・電極構造体16との単位面積当たりの第1接触面積は、前記第2金属セパレータ66の重力方向中央に設けられた第2凸部70a(c)と前記電解質膜・電極構造体16との単位面積当たりの第2接触面積よりも小さく設定される。
The first contact area per unit area between the
具体的には、図4及び図5に示すように、第1凸部70a(e)同士の離間間隔(矢印C方向の間隔)S3は、第2凸部70a(c)同士の離間間隔S4よりも大きな寸法に設定される(S4<S3)。第1凸部70a(e)は、それぞれ上下に所定の数ずつ設けられる。すなわち、第1凸部70a(e)の個数は、燃料ガス流路70の上部及び下部の滞留水発生領域に対応して設定することができる。なお、外側から内側に向かって、幅寸法h3から幅寸法h4に段階的に小さな寸法に設定してもよい。
Specifically, as shown in FIGS. 4 and 5, the separation interval (interval in the direction of arrow C) S3 between the
互いに隣接する第1金属セパレータ64の面64bと第2金属セパレータ66の面66bとの間には、冷却媒体流路44が形成される。
A cooling
このように構成される第2の実施形態では、図5及び図6に示すように、第1金属セパレータ64において、第1凸部68a(e)同士の離間間隔S1は、第2凸部68a(c)同士の離間間隔S2よりも大きな寸法に設定されている。このため、第1凸部68a(e)と電解質膜・電極構造体16との単位面積当たりの第1接触面積は、第2凸部68a(c)と前記電解質膜・電極構造体16との単位面積当たりの第2接触面積よりも小さく設定されている。
In the second embodiment configured as described above, as shown in FIGS. 5 and 6, in the
従って、特に液滴が発生し易い第1金属セパレータ64の重力方向上方及び下方では、重力方向中央に比べて電解質膜・電極構造体16との接触抵抗値が増加し、発電密度が低下する。
Therefore, particularly in the upper and lower direction of the
同様に、第2金属セパレータ66において、図5に示すように、第1凸部70a(e)同士の離間間隔S3は、第2凸部70a(c)同士の離間間隔S4よりも大きな寸法に設定されている。これにより、第1凸部70a(e)と電解質膜・電極構造体16との単位面積当たりの第1接触面積は、第2凸部70a(c)と前記電解質膜・電極構造体16との単位面積当たりの第2接触面積よりも小さく設定されている。
Similarly, in the
このため、特に液滴が発生し易い第2金属セパレータ66の重力方向上方及び下方では、電解質膜・電極構造体16との接触抵抗値が増加し、発電密度が低下する。従って、第2の実施形態では、上記の第1の実施形態と同様の効果が得られる。
For this reason, the contact resistance value with the electrolyte membrane /
10、60…燃料電池 12、62…発電セル
16…電解質膜・電極構造体 18、20、64、66…金属セパレータ
26a…酸化剤ガス供給連通孔 26b…酸化剤ガス排出連通孔
28a…冷却媒体供給連通孔 28b…冷却媒体排出連通孔
30a…燃料ガス供給連通孔 30b…燃料ガス排出連通孔
38、68…酸化剤ガス流路
38a、38a(c)、38a(e)、42a、42a(c)、42a(e)、68a、68a(c)、68a(e)、70a、70a(c)、70a(e)…凸部
38b、68b…酸化剤ガス流路溝 39a〜39d…金メッキ層
42、70…燃料ガス流路 42b、70b…燃料ガス流路溝
44…冷却媒体流路 46、48…シール部材
50…固体高分子電解質膜 52…カソード電極
54…アノード電極
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記金属セパレータは、水平方向一端に前記反応ガスを前記反応ガス流路に供給する反応ガス供給口を設け、且つ、水平方向他端に前記反応ガスを前記反応ガス流路から排出する反応ガス排出口を設けるとともに、
前記金属セパレータの重力方向上方及び下方に設けられた前記凸部である第1凸部と前記電解質膜・電極構造体との単位面積当たりの第1接触面積は、前記金属セパレータの重力方向中央に設けられた前記凸部である第2凸部と前記電解質膜・電極構造体との単位面積当たりの第2接触面積よりも小さいことを特徴とする燃料電池。 An electrolyte membrane / electrode structure in which electrodes are provided on both sides of a solid polymer electrolyte membrane and a horizontally long metal separator formed by corrugating a metal plate are stacked in a horizontal position in a standing position. A fuel cell in which a reaction gas flow path for flowing a reaction gas that is an oxidant gas or a fuel gas along a horizontal direction is provided between convex portions of the metal separator in contact with the electrolyte membrane / electrode structure, ,
The metal separator has a reaction gas supply port for supplying the reaction gas to the reaction gas channel at one end in the horizontal direction, and a reaction gas exhaust for discharging the reaction gas from the reaction gas channel at the other end in the horizontal direction. While providing an exit,
The first contact area per unit area between the first convex portion, which is the convex portion provided above and below the metal separator in the gravity direction, and the electrolyte membrane / electrode structure is at the center of the metal separator in the gravity direction. A fuel cell, characterized in that it is smaller than a second contact area per unit area between the provided second convex portion, which is the convex portion, and the electrolyte membrane / electrode structure.
前記第1接触面積に設定される第1接触部位の金メッキ量は、前記第2接触面積に設定される第2接触部位の金メッキ量よりも少ないことを特徴とする燃料電池。 3. The fuel cell according to claim 1, wherein the metal separator is subjected to a gold plating treatment at a contact portion with the electrolyte membrane / electrode structure,
The fuel cell according to claim 1, wherein a gold plating amount of the first contact portion set to the first contact area is smaller than a gold plating amount of the second contact portion set to the second contact area.
前記金属セパレータは、水平方向一端に前記反応ガスを前記反応ガス流路に供給する反応ガス供給口を設け、且つ、水平方向他端に前記反応ガスを前記反応ガス流路から排出する反応ガス排出口を設けるとともに、
前記金属セパレータの重力方向上方及び下方に設けられた前記凸部である第1凸部同士の離間間隔は、前記金属セパレータの重力方向中央に設けられた前記凸部である第2凸部同士の離間間隔よりも大きいことを特徴とする燃料電池。 An electrolyte membrane / electrode structure in which electrodes are provided on both sides of a solid polymer electrolyte membrane and a horizontally long metal separator formed by corrugating a metal plate are stacked in a horizontal position in a standing position. A fuel cell in which a reaction gas flow path for flowing a reaction gas that is an oxidant gas or a fuel gas along a horizontal direction is provided between convex portions of the metal separator in contact with the electrolyte membrane / electrode structure, ,
The metal separator has a reaction gas supply port for supplying the reaction gas to the reaction gas channel at one end in the horizontal direction, and a reaction gas exhaust for discharging the reaction gas from the reaction gas channel at the other end in the horizontal direction. While providing an exit,
The spacing between the first protrusions that are the protrusions provided above and below the gravity direction of the metal separator is the distance between the second protrusions that are the protrusions provided at the center of the metal separator in the gravity direction. A fuel cell characterized by being larger than the separation interval.
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Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN110323476A (en) * | 2018-03-28 | 2019-10-11 | 丰田自动车株式会社 | Fuel cell |
JP7337720B2 (en) | 2020-01-30 | 2023-09-04 | 本田技研工業株式会社 | Junction Separator, Metal Separator, and Method for Manufacturing Fuel Cell Stack |
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- 2012-08-14 JP JP2012179661A patent/JP2014038750A/en active Pending
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