JP2022053736A - Fuel cell - Google Patents

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Abstract

To provide a fuel cell enabling degradation of the performance thereof to be suppressed.SOLUTION: A fuel cell is provided, comprising one or more single cells each having: a membrane electrode assembly in which a pair of electrodes are arranged on both sides of an electrolyte film; and two separators that sandwich and hold the membrane electrode assembly. Each separator has: a flow channel for flowing fluid in a plane direction of the separator; and a supply hole and a discharge hole for flowing the fluid flow in a lamination direction of the single cells. The separator has three or more flow channels in at least a part of a range from the supply hole to the discharge hole on the same plane. A hydrophilicity of at least one of two flow channels arranged at both ends among the three or more the flow channels is higher than that of the other flow channels.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本開示は、燃料電池に関する。 The present disclosure relates to fuel cells.

燃料電池(FC)は、1つの単セル又は複数の単セル(以下、セルと記載する場合がある)を積層した燃料電池スタック(以下、単にスタックと記載する場合がある)に、燃料ガスとしての水素(H)と酸化剤ガスとしての酸素(O)との電気化学反応によって電気エネルギーを取り出す発電装置である。なお、以下では、燃料ガスや酸化剤ガスを、特に区別することなく単に「反応ガス」あるいは「ガス」と呼ぶ場合もある。
この燃料電池の単セルは、通常、膜電極接合体(MEA:Membrane Electrode Assembly)と、必要に応じて当該膜電極接合体の両面を挟持する2枚のセパレータにより構成される。
膜電極接合体は、プロトン(H)伝導性を有する固体高分子型電解質膜(以下、単に「電解質膜」とも呼ぶ)の両面に、それぞれ、触媒層及びガス拡散層(GDL)が順に形成された構造を有している。そのため、膜電極接合体は、膜電極ガス拡散層接合体(MEGA)と称される場合がある。
セパレータは、通常、ガス拡散層に接する面に流体の流路としての溝が形成された構造を有している。なお、このセパレータは発電した電気の集電体としても機能する。
燃料電池の燃料極(アノード)では、ガス流路及びガス拡散層から供給される水素が触媒層の触媒作用によりプロトン化し、電解質膜を通過して酸化剤極(カソード)へと移動する。同時に生成した電子は、外部回路を通って仕事をし、カソードへと移動する。カソードに供給される酸素は、カソード上でプロトンおよび電子と反応し、水を生成する。
生成した水は、電解質膜に適度な湿度を与え、余剰な水はガス拡散層を透過して、系外へと排出される。
A fuel cell (FC) is used as a fuel gas in a fuel cell stack (hereinafter, may be simply referred to as a stack) in which one single cell or a plurality of single cells (hereinafter, may be referred to as a cell) are laminated. It is a power generation device that extracts electric energy by an electrochemical reaction between hydrogen (H 2 ) and oxygen (O 2 ) as an oxidizing agent gas. In the following, the fuel gas and the oxidant gas may be simply referred to as "reaction gas" or "gas" without particular distinction.
A single cell of this fuel cell is usually composed of a membrane electrode assembly (MEA: Membrane Electrode Assembly) and, if necessary, two separators sandwiching both sides of the membrane electrode assembly.
In the membrane electrode assembly, a catalyst layer and a gas diffusion layer (GDL) are sequentially formed on both sides of a solid polymer electrolyte membrane having proton (H + ) conductivity (hereinafter, also simply referred to as “electrolyte membrane”), respectively. Has a structure that has been modified. Therefore, the membrane electrode assembly may be referred to as a membrane electrode gas diffusion layer assembly (MEGA).
The separator usually has a structure in which a groove as a fluid flow path is formed on the surface in contact with the gas diffusion layer. This separator also functions as a current collector for the generated electricity.
At the fuel electrode (anode) of the fuel cell, hydrogen supplied from the gas flow path and the gas diffusion layer is protonated by the catalytic action of the catalyst layer, passes through the electrolyte membrane, and moves to the oxidizing agent electrode (cathode). The simultaneously generated electrons work through an external circuit and move to the cathode. Oxygen supplied to the cathode reacts with protons and electrons on the cathode to produce water.
The generated water gives an appropriate humidity to the electrolyte membrane, and the excess water permeates the gas diffusion layer and is discharged to the outside of the system.

燃料電池車両(以下車両と記載する場合がある)に車載されて用いられる燃料電池に関して種々の研究がなされている。
例えば特許文献1では、燃料ガス流路に残留する残留水の排水性を向上させる燃料電池が開示されている。
Various studies have been conducted on fuel cells used in vehicles of fuel cell vehicles (hereinafter sometimes referred to as vehicles).
For example, Patent Document 1 discloses a fuel cell that improves the drainage property of residual water remaining in a fuel gas flow path.

特開2013-118125号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2013-118125

流体の供給孔から排出孔までの間に3本以上の流路を有するセパレータを備える燃料電池において、当該セパレータが有する端部の流路(非発電側の流路)は他の流路に比べて圧損が高くなり、水が滞留しやすくなり、流体の流れが妨げられ燃料電池の性能が低下するという問題がある。 In a fuel cell provided with a separator having three or more flow paths between the fluid supply hole and the discharge hole, the flow path at the end of the separator (flow path on the non-power generation side) is compared with other flow paths. Therefore, there is a problem that the pressure loss becomes high, water tends to stay, the flow of fluid is obstructed, and the performance of the fuel cell deteriorates.

本開示は、上記実情に鑑みてなされたものであり、性能が低下することを抑制することができる燃料電池を提供することを主目的とする。 The present disclosure has been made in view of the above circumstances, and an object of the present disclosure is to provide a fuel cell capable of suppressing deterioration of performance.

本開示においては、電解質膜の両面に一対の電極を配置した膜電極接合体と、当該膜電極接合体を挟持する2枚のセパレータと、を備える単セルを1つ以上備える燃料電池であって、
前記セパレータは、流体を当該セパレータの面方向に流す流路と、当該流体を前記単セルの積層方向に流通させるための供給孔及び排出孔を有し、
前記セパレータは、同一面内に供給孔から排出孔までの少なくとも一部で3本以上の流路を有し、
3本以上の前記流路のうち両端に配置される2本の流路の少なくとも一方の流路の親水性が残りの流路に比べて高いことを特徴とする燃料電池を提供する。
In the present disclosure, a fuel cell comprising one or more single cells including a membrane electrode assembly in which a pair of electrodes are arranged on both sides of an electrolyte membrane and two separators sandwiching the membrane electrode assembly. ,
The separator has a flow path for flowing the fluid in the plane direction of the separator, and a supply hole and a discharge hole for flowing the fluid in the stacking direction of the single cell.
The separator has at least a part of three or more flow paths from the supply hole to the discharge hole in the same plane.
Provided is a fuel cell characterized in that the hydrophilicity of at least one of the two channels arranged at both ends of the three or more channels is higher than that of the remaining channels.

本開示によれば、性能が低下することを抑制することができる燃料電池を提供することができる。 According to the present disclosure, it is possible to provide a fuel cell capable of suppressing deterioration in performance.

本開示の燃料電池が備えるセパレータの一例を示す概略模式図である。It is a schematic schematic diagram which shows an example of the separator provided in the fuel cell of this disclosure. 本開示の燃料電池スタックの一例を示す概略模式図である。It is a schematic schematic diagram which shows an example of the fuel cell stack of this disclosure.

本開示においては、電解質膜の両面に一対の電極を配置した膜電極接合体と、当該膜電極接合体を挟持する2枚のセパレータと、を備える単セルを1つ以上備える燃料電池であって、
前記セパレータは、流体を当該セパレータの面方向に流す流路と、当該流体を前記単セルの積層方向に流通させるための供給孔及び排出孔を有し、
前記セパレータは、同一面内に供給孔から排出孔までの少なくとも一部で3本以上の流路を有し、
3本以上の前記流路のうち両端に配置される2本の流路の少なくとも一方の流路の親水性が残りの流路に比べて高いことを特徴とする燃料電池を提供する。
In the present disclosure, a fuel cell comprising one or more single cells including a membrane electrode assembly in which a pair of electrodes are arranged on both sides of an electrolyte membrane and two separators sandwiching the membrane electrode assembly. ,
The separator has a flow path for flowing the fluid in the plane direction of the separator, and a supply hole and a discharge hole for flowing the fluid in the stacking direction of the single cell.
The separator has at least a part of three or more flow paths from the supply hole to the discharge hole in the same plane.
Provided is a fuel cell characterized in that the hydrophilicity of at least one of the two channels arranged at both ends of the three or more channels is higher than that of the remaining channels.

燃料電池車両(FCV)の普及に向けて、燃料電池の小型化、高性能化が求められている。流路、GDLの緻密化により、フラッディング等の排水性不良によりガス拡散性低下に伴う燃料電池の性能低下が発生する。燃料電池の発電時にセパレータ面内の端部は、温度環境が中心部に比べ低く、また端部流路が面内内側流路よりも比較的長くなり、水が溜まり易い環境となり排水性が低下し、発電状態によっては部分的なガス欠が発生し、触媒層の劣化により燃料電池の発電性能が低下するという問題がある。
本開示によれば、セパレータの流路の水が溜まり易い部分であるセル面内の両端部の流路のうち少なくとも一方の流路の濡れ性(親水性)をその他の流路と比較して大きくなるように表面処理の塗布量または種類を変えることにより、排水性を向上して燃料電池の発電性能低下(触媒層劣化)を抑制することができる。
With the widespread use of fuel cell vehicles (FCVs), fuel cells are required to be smaller and have higher performance. Due to the densification of the flow path and GDL, the performance of the fuel cell deteriorates due to the deterioration of gas diffusivity due to poor drainage such as flooding. During power generation of a fuel cell, the temperature environment at the end of the separator surface is lower than that of the central part, and the end flow path is relatively longer than the in-plane inner flow path, creating an environment in which water easily collects and drainage is reduced. However, there is a problem that a partial gas shortage occurs depending on the power generation state, and the power generation performance of the fuel cell deteriorates due to deterioration of the catalyst layer.
According to the present disclosure, the wettability (hydrophilicity) of at least one of the flow paths at both ends in the cell surface, which is a portion where water tends to collect in the flow path of the separator, is compared with that of the other flow paths. By changing the coating amount or type of the surface treatment so as to be large, the drainage property can be improved and the deterioration of the power generation performance of the fuel cell (deterioration of the catalyst layer) can be suppressed.

本開示の燃料電池は、少なくとも、電解質膜の両面に一対の電極を配置した膜電極接合体と、当該膜電極接合体を挟持する2枚のセパレータと、を備える単セルを1つ以上備える。
燃料電池の単セルは、必要に応じて2枚のセパレータの間に配置され当該セパレータ同士を接着させる枠状の樹脂シートを備えていてもよい。
The fuel cell of the present disclosure includes at least one single cell including a membrane electrode assembly in which a pair of electrodes are arranged on both sides of an electrolyte membrane and two separators sandwiching the membrane electrode assembly.
If necessary, the single cell of the fuel cell may be provided with a frame-shaped resin sheet that is arranged between two separators and adheres the separators to each other.

燃料電池は、単セルを複数個積層した積層体である燃料電池スタックであってもよい。
燃料電池スタックは、燃料電池の単セルを複数個積層した積層体である。本開示において燃料電池は、単セル1つのみであってもよいし、燃料電池スタックであってもよい。
単セルの積層数は特に限定されず、例えば、2~数百個であってもよく、2~200個であってもよい。
燃料電池スタックは、単セルの積層方向の両端にエンドプレートを備えていてもよい。
燃料電池スタックは、必要に応じて互いに隣接する各単セルの各セパレータの間にガスケットを有していてもよい。ガスケットは、例えばシリコーンゴム等により形成されていてもよい。
The fuel cell may be a fuel cell stack which is a laminated body in which a plurality of single cells are laminated.
The fuel cell stack is a laminated body in which a plurality of single cells of a fuel cell are laminated. In the present disclosure, the fuel cell may be only one single cell or may be a fuel cell stack.
The number of stacked single cells is not particularly limited, and may be, for example, 2 to several hundreds or 2 to 200.
The fuel cell stack may include end plates at both ends of the single cell stacking direction.
The fuel cell stack may optionally have a gasket between the separators of each single cell adjacent to each other. The gasket may be formed of, for example, silicone rubber or the like.

一対の電極は、一方が酸化剤極であり、もう一方が燃料極である。
酸化剤極は、酸化剤極触媒層及びガス拡散層を含む。
燃料極は、燃料極触媒層及びガス拡散層を含む。
酸化剤極触媒層及び燃料極触媒層は、例えば、電気化学反応を促進する触媒金属、プロトン伝導性を有する電解質、及び、電子伝導性を有するカーボン粒子等を備えていてもよい。
触媒金属としては、例えば、白金(Pt)、及び、Ptと他の金属とから成る合金(例えばコバルト、及び、ニッケル等を混合したPt合金)等を用いることができる。
電解質としては、フッ素系樹脂等であってもよい。フッ素系樹脂としては、例えば、ナフィオン溶液等を用いてもよい。
上記触媒金属はカーボン粒子上に担持されており、各触媒層では、触媒金属を担持したカーボン粒子(触媒粒子)と電解質とが混在していてもよい。
触媒金属を担持するためのカーボン粒子(担持用カーボン粒子)は、例えば、一般に市販されているカーボン粒子(カーボン粉末)を加熱処理することにより自身の撥水性が高められた撥水化カーボン粒子等を用いてもよい。
One of the pair of electrodes is the oxidant electrode and the other is the fuel electrode.
The oxidant electrode includes an oxidant electrode catalyst layer and a gas diffusion layer.
The fuel electrode includes a fuel electrode catalyst layer and a gas diffusion layer.
The oxidant electrode catalyst layer and the fuel electrode catalyst layer may include, for example, a catalyst metal that promotes an electrochemical reaction, an electrolyte having proton conductivity, carbon particles having electron conductivity, and the like.
As the catalyst metal, for example, platinum (Pt), an alloy composed of Pt and another metal (for example, a Pt alloy in which cobalt, nickel and the like are mixed) and the like can be used.
The electrolyte may be a fluororesin or the like. As the fluororesin, for example, a Nafion solution or the like may be used.
The catalyst metal is supported on carbon particles, and carbon particles (catalyst particles) carrying the catalyst metal and an electrolyte may be mixed in each catalyst layer.
The carbon particles for supporting the catalyst metal (supporting carbon particles) are, for example, water-repellent carbon particles whose water repellency is enhanced by heat-treating commercially available carbon particles (carbon powder). May be used.

ガス拡散層は、ガス透過性を有する導電性部材等であってもよい。
導電性部材としては、例えば、カーボンクロス、及びカーボンペーパー等のカーボン多孔質体、並びに、金属メッシュ、及び、発泡金属などの金属多孔質体等が挙げられる。
The gas diffusion layer may be a conductive member or the like having gas permeability.
Examples of the conductive member include a carbon porous body such as carbon cloth and carbon paper, a metal mesh, and a metal porous body such as foamed metal.

電解質膜は、固体高分子電解質膜であってもよい。固体高分子電解質膜としては、例えば、水分が含まれたパーフルオロスルホン酸の薄膜等のフッ素系電解質膜、及び、炭化水素系電解質膜等が挙げられる。電解質膜としては、例えば、ナフィオン膜(デュポン社製)等であってもよい。 The electrolyte membrane may be a solid polymer electrolyte membrane. Examples of the solid polymer electrolyte membrane include a fluorine-based electrolyte membrane such as a thin film of perfluorosulfonic acid containing water, a hydrocarbon-based electrolyte membrane, and the like. The electrolyte membrane may be, for example, a Nafion membrane (manufactured by DuPont) or the like.

セパレータは、流体を当該セパレータの面方向に流す流路と、当該流体を単セルの積層方向に流通させるための供給孔及び排出孔を有する。
流体は、反応ガス、及び、冷媒(冷却水)等であってもよい。冷媒としては、低温時の凍結を防止するために例えばエチレングリコールと水との混合溶液を用いることができる。反応ガスは、燃料ガス、又は、酸化剤ガスである。燃料ガスは水素等であってもよい。酸化剤ガスは酸素、空気、乾燥空気等であってもよい。
供給孔は、燃料ガス供給孔、酸化剤ガス供給孔、及び、冷媒供給孔等が挙げられる。
排出孔は、燃料ガス排出孔、酸化剤ガス排出孔、及び、冷媒排出孔等が挙げられる。
セパレータは、燃料ガス供給孔、酸化剤ガス供給孔、冷媒供給孔、燃料ガス排出孔、酸化剤ガス排出孔、及び、冷媒排出孔をそれぞれ1つ以上有していてもよい。
The separator has a flow path for flowing the fluid in the plane direction of the separator, and a supply hole and a discharge hole for flowing the fluid in the stacking direction of a single cell.
The fluid may be a reaction gas, a refrigerant (cooling water), or the like. As the refrigerant, for example, a mixed solution of ethylene glycol and water can be used in order to prevent freezing at a low temperature. The reaction gas is a fuel gas or an oxidant gas. The fuel gas may be hydrogen or the like. The oxidant gas may be oxygen, air, dry air or the like.
Examples of the supply hole include a fuel gas supply hole, an oxidant gas supply hole, a refrigerant supply hole, and the like.
Examples of the discharge hole include a fuel gas discharge hole, an oxidant gas discharge hole, a refrigerant discharge hole, and the like.
The separator may have one or more fuel gas supply holes, oxidant gas supply holes, refrigerant supply holes, fuel gas discharge holes, oxidant gas discharge holes, and refrigerant discharge holes.

燃料電池スタックは、各供給孔が連通した入口マニホールド、及び、各排出孔が連通した出口マニホールドを有する。
入口マニホールドは、アノード入口マニホールド、カソード入口マニホールド、及び、冷媒入口マニホールド等が挙げられる。
出口マニホールドは、アノード出口マニホールド、カソード出口マニホールド、及び、冷媒出口マニホールド等が挙げられる。
The fuel cell stack has an inlet manifold in which each supply hole communicates and an outlet manifold in which each discharge hole communicates.
Examples of the inlet manifold include an anode inlet manifold, a cathode inlet manifold, and a refrigerant inlet manifold.
Examples of the outlet manifold include an anode outlet manifold, a cathode outlet manifold, and a refrigerant outlet manifold.

セパレータは、流路としてガス拡散層に接する面に反応ガス流路を有していてもよい。また、セパレータは、流路としてガス拡散層に接する面とは反対側の面にスタック温度を一定に保つための冷媒流路を有していてもよい。
セパレータがアノード側セパレータである場合は、燃料ガス供給孔、酸化剤ガス供給孔、冷媒供給孔、燃料ガス排出孔、酸化剤ガス排出孔、及び、冷媒排出孔をそれぞれ1つ以上有し、アノード側ガス拡散層に接する面に燃料ガス供給孔から燃料ガス排出孔に燃料ガスを流す燃料ガス流路を有し、アノード側ガス拡散層に接する面とは反対側の面に冷媒供給孔から冷媒排出孔に冷媒を流す冷媒流路を有していてもよい。
セパレータがカソード側セパレータである場合は、燃料ガス供給孔、酸化剤ガス供給孔、冷媒供給孔、燃料ガス排出孔、酸化剤ガス排出孔、及び、冷媒排出孔をそれぞれ1つ以上有し、カソード側ガス拡散層に接する面に酸化剤ガス供給孔から酸化剤ガス排出孔に酸化剤ガスを流す酸化剤ガス流路を有し、カソード側ガス拡散層に接する面とは反対側の面に冷媒供給孔から冷媒排出孔に冷媒を流す冷媒流路を有していてもよい。
セパレータは、ガス不透過の導電性部材等であってもよい。導電性部材としては、例えば、カーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボン、及び、プレス成形した金属(例えば、鉄、アルミニウム、チタン及び、ステンレス等)の板等であってもよい。また、セパレータが集電機能を備えるものであってもよい。
The separator may have a reaction gas flow path on the surface in contact with the gas diffusion layer as a flow path. Further, the separator may have a refrigerant flow path for keeping the stack temperature constant on a surface opposite to the surface in contact with the gas diffusion layer as a flow path.
When the separator is an anode-side separator, it has one or more fuel gas supply holes, oxidant gas supply holes, refrigerant supply holes, fuel gas discharge holes, oxidant gas discharge holes, and refrigerant discharge holes, respectively, and has an anode. The surface in contact with the side gas diffusion layer has a fuel gas flow path for flowing fuel gas from the fuel gas supply hole to the fuel gas discharge hole, and the surface opposite to the surface in contact with the anode side gas diffusion layer has a refrigerant from the refrigerant supply hole. It may have a gas flow path through which the gas flows through the discharge hole.
When the separator is a separator on the cathode side, it has one or more fuel gas supply hole, oxidant gas supply hole, refrigerant supply hole, fuel gas discharge hole, oxidant gas discharge hole, and refrigerant discharge hole, and the cathode. The surface in contact with the side gas diffusion layer has an oxidant gas flow path for flowing the oxidant gas from the oxidant gas supply hole to the oxidant gas discharge hole, and the refrigerant is on the surface opposite to the surface in contact with the cathode side gas diffusion layer. It may have a gas flow path for flowing a gas from a supply hole to a gas discharge hole.
The separator may be a gas-impermeable conductive member or the like. The conductive member may be, for example, a dense carbon obtained by compressing carbon to make it impermeable to gas, a press-molded metal plate (for example, iron, aluminum, titanium, stainless steel, etc.) or the like. Further, the separator may have a current collecting function.

セパレータは、同一面内において、供給孔から排出孔までの少なくとも一部で3本以上の流路を有する。セパレータの同一面は、セパレータのオモテ面とウラ面がある場合のオモテ面又はウラ面のいずれか一方の面である。セパレータは、オモテ面とウラ面の両方に供給孔から排出孔までの少なくとも一部で3本以上の流路を有していてもよい。
セパレータの流路は、供給孔から排出孔までの少なくとも一部で3本以上有していればよく、流路の本数の上限は特に限定されず、セパレータの規模によって適宜設定することができる。また、セパレータの流路は供給孔から流路分岐部で3本以上の流路に分岐して排出孔手前の流路合流部で3本以上の流路が合流して1つの流路を形成していてもよい。さらに、各流路の幅は特に限定されず、セパレータの規模によって適宜設定することができる。
The separator has three or more flow paths in at least a part from the supply hole to the discharge hole in the same plane. The same surface of the separator is either the front surface or the back surface when there is a front surface and a back surface of the separator. The separator may have at least three or more flow paths from the supply hole to the discharge hole on both the front surface and the back surface.
The number of flow paths of the separator may be at least three or more in at least a part from the supply hole to the discharge hole, and the upper limit of the number of flow paths is not particularly limited and can be appropriately set depending on the scale of the separator. In addition, the flow path of the separator branches from the supply hole into three or more flow paths at the flow path branch, and three or more flow paths merge at the flow path confluence in front of the discharge hole to form one flow path. You may be doing it. Further, the width of each flow path is not particularly limited and can be appropriately set depending on the scale of the separator.

セパレータは、同一面内の3本以上の流路のうち両端に配置される2本の流路(端部流路)の少なくとも一方の流路の親水性が残りの流路に比べて高ければよい。
また、燃料電池の性能向上の観点から、セパレータは、同一面内において、3本以上の流路のうち両端に配置される2本の端部流路の両方の端部流路の親水性が残りの面内内部流路に比べて高くてもよい。
また、セパレータの同一面内に5本以上の流路を有する場合は、親水性の性能差を抑制する観点から、セパレータの面内で2水準の親水性の間に、中間の水準の親水性の領域、すなわちセパレータの面内で3水準の親水性の異なる領域を設けて、両端の端部流路の親水性を最も高くし、これらに隣接する2本の面内内部流路の親水性を端部流路よりも低くし、中心の1本の面内内部流路の親水性を最も低くなるようにしてもよい。
セパレータの流路を親水性にすることにより、流路の断面を水が塞いで反応ガス流れが悪化してガス欠が発生して触媒層が劣化することを抑制することができる。
The separator is provided as long as the hydrophilicity of at least one of the two flow paths (end flow paths) arranged at both ends of the three or more flow paths in the same plane is higher than that of the remaining flow paths. good.
Further, from the viewpoint of improving the performance of the fuel cell, the separator has the hydrophilicity of both end flow paths of the two end flow paths arranged at both ends of the three or more flow paths in the same plane. It may be higher than the remaining in-plane internal flow path.
In addition, when there are five or more flow paths in the same plane of the separator, from the viewpoint of suppressing the difference in hydrophilicity performance, the hydrophilicity of the intermediate level is between the two levels of hydrophilicity in the plane of the separator. Region, that is, three levels of hydrophilicity are provided in the plane of the separator to maximize the hydrophilicity of the end flow paths at both ends, and the hydrophilicity of the two in-plane internal flow paths adjacent to these regions. May be lower than the end flow path so that the hydrophilicity of one central in-plane internal flow path is the lowest.
By making the flow path of the separator hydrophilic, it is possible to prevent the cross section of the flow path from being blocked by water, causing the reaction gas flow to deteriorate, causing gas shortage, and deteriorating the catalyst layer.

セパレータの流路に親水性を付与する表面処理方法は、例えば、塗布範囲を指定して柱状、板状等のカーボン等をエポキシ樹脂等と混ぜた混合物を親水性層として数μmの厚さとなるようにセパレータの流路に塗布してもよい。
塗布方法は、特に限定されず、ドクターブレード法、メタルマスク印刷法、静電塗布法、ディップコート法、スプレーコート法、ロールコート法、グラビアコート法、及びスクリーン印刷法等が挙げられる。
親水性層の成分比、及び、厚さ等により、セパレータの流路間で親水性に差を付けることが出来る。
また、親水性層の塗布方法を変更することにより、セパレータの流路間で親水性に差を付けることが出来る。
As a surface treatment method for imparting hydrophilicity to the flow path of the separator, for example, a mixture of columnar or plate-shaped carbon or the like mixed with an epoxy resin or the like by designating a coating range is used as a hydrophilic layer to have a thickness of several μm. It may be applied to the flow path of the separator as described above.
The coating method is not particularly limited, and examples thereof include a doctor blade method, a metal mask printing method, an electrostatic coating method, a dip coating method, a spray coating method, a roll coating method, a gravure coating method, and a screen printing method.
The hydrophilicity can be different between the flow paths of the separator depending on the component ratio of the hydrophilic layer, the thickness, and the like.
Further, by changing the coating method of the hydrophilic layer, it is possible to make a difference in hydrophilicity between the flow paths of the separator.

セパレータの面内の流路が長い場合は流路が短い場合と比べ圧力損失が高いため、流路が短い場合と比べて水による流路閉塞による流路断面積の低下することを抑制して各流路の親水性のバランスを取る必要がある。そこで、流路が長い場合は、流路が短い場合よりも流路の親水性を高めて水滴の成長を抑制して流路断面積を流路が短い場合よりも大きくしてもよい。
また、セパレータの面内の両端に位置する端部流路は燃料電池の発電時に温度環境が低く、他の面内内部流路と流路長を合わせた構造であっても、水滴の成長により流路断面積が低下するため親水性を高めることが必要である。
従来のセパレータの流路は、燃料電池の発電時に流路へ水滴を落とした時に濡れ広がりが長くなるように親水性を良くして、流路の設計指標の一つであるWet/Dry圧力損失比を小さくしている。濡れ広がり長さが短くなるとWet/Dty圧損比が大きくなる。すなわち、Wet時に水滴が流路に広がり易いと流路が水滴で塞がれにくく、所望の流路断面積を確保し易くすることができる。一方、Wet時に水滴が流路に広がり難いと流路が水滴で塞がれ易く所望の流路断面積を確保し難くなる。
When the in-plane flow path of the separator is long, the pressure loss is higher than when the flow path is short. It is necessary to balance the hydrophilicity of each flow path. Therefore, when the flow path is long, the hydrophilicity of the flow path may be increased to suppress the growth of water droplets as compared with the case where the flow path is short, and the cross-sectional area of the flow path may be larger than when the flow path is short.
In addition, the end flow paths located at both ends in the surface of the separator have a low temperature environment during power generation of the fuel cell, and even if the structure has the same flow path length as the other in-plane internal flow paths, due to the growth of water droplets. Since the cross-sectional area of the flow path is reduced, it is necessary to increase the hydrophilicity.
The flow path of the conventional separator has improved hydrophilicity so that the wet spread becomes long when water droplets are dropped on the flow path during power generation of the fuel cell, and the Wet / Dry pressure loss is one of the design indicators of the flow path. The ratio is small. As the wetting spread length becomes shorter, the Wet / Dty pressure drop ratio becomes larger. That is, if the water droplets are likely to spread in the flow path at the time of Wet, the flow path is not easily blocked by the water droplets, and it is possible to easily secure a desired flow path cross-sectional area. On the other hand, if the water droplets are difficult to spread in the flow path at the time of Wet, the flow path is easily blocked by the water droplets and it is difficult to secure a desired cross-sectional area of the flow path.

セパレータの面内両端部の2本の端部流路は、真ん中付近の面内内部流路に比べ温度環境的に温度が低く水溜まりが出来やすい。単セルのセパレータの形状が長方形の場合では、流路の設計でセパレータの面内両端部付近へ近づくほど長くなり、圧力損失が増加して水が溜まり易くなる。また、設計上流路断面積が十分に確保出来ず圧力損失が増加し、流路に水が溜まり易くなる。 The two end flow paths at both ends of the separator are lower in temperature and environmentally than the in-plane internal flow paths near the center, and water pools are likely to occur. When the shape of the separator of a single cell is rectangular, it becomes longer as it approaches the vicinity of both ends in the plane of the separator in the design of the flow path, the pressure loss increases, and water tends to collect. In addition, the cross-sectional area of the flow path cannot be sufficiently secured due to the design, the pressure loss increases, and water tends to collect in the flow path.

そこで、燃料電池スタックのセパレータの流路を燃料電池の発電時の温度環境の違いの観点で以下の(1)~(4)の4種類の流路に分類する。
(1)燃料電池スタックの両端以外に配置される内側単セルのセパレータの面内両端部以外の流路(以下、内側単セルのセパレータの面内内部流路、又は、面内内部流路(1)と称する場合がある)
(2)燃料電池スタックの両端以外に配置される内側単セルのセパレータの面内端部の流路(以下、内側単セルのセパレータの端部流路、又は、端部流路(2)と称する場合がある)
(3)燃料電池スタックの両端に配置される外側単セルの外側セパレータの面内両端部以外の流路(以下、外側単セルの外側セパレータの面内内部流路、又は、面内内部流路(3)と称する場合がある)
(4)燃料電池スタックの両端に配置される外側単セルの外側セパレータの面内両端部の流路(以下、外側単セルの外側セパレータの端部流路、又は、端部流路(4)と称する場合がある)
Therefore, the flow paths of the separator of the fuel cell stack are classified into the following four types of flow paths (1) to (4) from the viewpoint of the difference in the temperature environment during power generation of the fuel cell.
(1) A flow path other than the in-plane inner flow path of the inner single cell separator arranged at other than both ends of the fuel cell stack (hereinafter, the in-plane inner flow path or the in-plane inner flow path of the inner single cell separator). It may be called 1))
(2) With the flow path at the inner end of the inner single cell separator arranged outside both ends of the fuel cell stack (hereinafter, the end flow path of the inner single cell separator or the end flow path (2)). May be called)
(3) A flow path other than the in-plane ends of the outer separator of the outer single cell arranged at both ends of the fuel cell stack (hereinafter, the in-plane inner flow path or the in-plane inner flow path of the outer separator of the outer single cell). (Sometimes referred to as (3))
(4) Flow paths at both ends in the plane of the outer separator of the outer single cell arranged at both ends of the fuel cell stack (hereinafter, end flow paths or end flow paths of the outer separator of the outer single cell). May be called)

図1は、本開示の燃料電池が備えるセパレータ(内側単セルのセパレータ)の一例を示す概略模式図である。
図1に示すセパレータ50は、供給孔10と排出孔20と流路分岐部30と、流路合流部40を有し、6本の面内内部流路(1)と2本の端部流路(2)は並列に配置され、端部流路(2)は面内内部流路(1)よりも親水性が高い表面処理が施されている。これにより、流路内で水やガスの滞留部分を少なくでき、ガス欠による触媒層の劣化を抑制することができる。図1に示す矢印は、流体の流れる方向を示す。
なお、供給孔10は、燃料ガス供給孔、酸化剤ガス供給孔、又は、冷媒供給孔のいずれかである。供給孔10が燃料ガス供給孔である場合は、排出孔20は燃料ガス排出孔であり、面内内部流路(1)と端部流路(2)は燃料ガス流路である。
供給孔10が酸化剤ガス供給孔である場合は、排出孔20は酸化剤ガス排出孔であり、面内内部流路(1)と端部流路(2)は酸化剤ガス流路である。
供給孔10が冷媒供給孔である場合は、排出孔20は冷媒排出孔であり、面内内部流路(1)と端部流路(2)は冷媒流路である。
FIG. 1 is a schematic schematic diagram showing an example of a separator (separator of an inner single cell) included in the fuel cell of the present disclosure.
The separator 50 shown in FIG. 1 has a supply hole 10, a discharge hole 20, a flow path branching portion 30, and a flow path merging portion 40, and has six in-plane internal flow paths (1) and two end flows. The paths (2) are arranged in parallel, and the end flow path (2) is subjected to surface treatment having a higher hydrophilicity than the in-plane internal flow path (1). As a result, the amount of water or gas staying in the flow path can be reduced, and deterioration of the catalyst layer due to lack of gas can be suppressed. The arrow shown in FIG. 1 indicates the direction in which the fluid flows.
The supply hole 10 is either a fuel gas supply hole, an oxidant gas supply hole, or a refrigerant supply hole. When the supply hole 10 is a fuel gas supply hole, the discharge hole 20 is a fuel gas discharge hole, and the in-plane internal flow path (1) and the end flow path (2) are fuel gas flow paths.
When the supply hole 10 is an oxidant gas supply hole, the discharge hole 20 is an oxidant gas discharge hole, and the in-plane internal flow path (1) and the end flow path (2) are oxidant gas flow paths. ..
When the supply hole 10 is a refrigerant supply hole, the discharge hole 20 is a refrigerant discharge hole, and the in-plane internal flow path (1) and the end flow path (2) are refrigerant flow paths.

図2は、本開示の燃料電池スタックの一例を示す概略模式図である。
図2に示す燃料電池スタック100が備える端部に配置される端部単セル(外側単セル)の外側セパレータ60は、面内内部流路(3)と端部流路(4)が並列に配置され、端部流路(4)は面内内部流路(3)よりも親水性が高い表面処理が施されている。なお、図2に示す外側セパレータ60おいて、供給孔、排出孔、流路分岐部、流路合流部等は便宜のため省略している。
FIG. 2 is a schematic schematic diagram showing an example of the fuel cell stack of the present disclosure.
In the outer separator 60 of the end single cell (outer single cell) arranged at the end of the fuel cell stack 100 shown in FIG. 2, the in-plane internal flow path (3) and the end flow path (4) are arranged in parallel. The end channel (4) is arranged and has a surface treatment that is more hydrophilic than the in-plane internal channel (3). In the outer separator 60 shown in FIG. 2, the supply hole, the discharge hole, the flow path branching portion, the flow path merging portion, and the like are omitted for convenience.

従来技術の燃料電池スタックのセパレータの流路は、上記(4)>(3)>(2)>(1)の流路の順でフラッディングし易い。単セル積層時のスタック端部の外側単セルの外側セパレータの面内内部流路(3)は、他の積層された内側単セルのセパレータに比べ温度環境がさらに低くなり、水が滞留してガス欠にならないように他の積層した内側単セルのセパレータの2本の端部流路(2)よりも表面の親水性を高めてもよい。
本開示においては、例えば、上記(4)>(3)>(2)>(1)の流路の順で表面処理による流路の親水性を高くしてもよい。例えば、1種類の表面処理で被覆率(親水性)を4水準に変化させることにより親水性を変化させてもよい。また、2種類の表面処理の成分違いで親水性を変化させてもよい。例えば、親水性層の親水性が高い順に(4):表面処理B成分違い>(3):表面処理B>(2):表面処理A成分違い>(1):表面処理Aとしてもよい。
The flow path of the separator of the fuel cell stack of the prior art is likely to be flooded in the order of (4)>(3)>(2)> (1). The temperature environment of the in-plane internal flow path (3) of the outer separator of the outer single cell at the stack end at the time of stacking single cells is lower than that of other separators of other laminated inner single cells, and water stays there. The hydrophilicity of the surface may be higher than that of the two end flow paths (2) of the separators of other laminated inner single cells so as not to run out of gas.
In the present disclosure, for example, the hydrophilicity of the flow path by surface treatment may be increased in the order of (4)>(3)>(2)> (1). For example, the hydrophilicity may be changed by changing the coverage (hydrophilicity) to four levels by one kind of surface treatment. Further, the hydrophilicity may be changed by different components of the two types of surface treatments. For example, (4): difference in surface treatment B component> (3): difference in surface treatment B> (2): difference in surface treatment A component> (1): difference in surface treatment A may be obtained in descending order of hydrophilicity of the hydrophilic layer.

セパレータの親水性評価の一例は以下の通りである。
セパレータの流路への水の滴下による水滴の広がり長さを観察する。水滴を数mmの高さから滴下した時に、例えば、表面処理Aの濡れ広がり長さが5mmに対して、表面処理Bの濡れ広がり長さが10mmを超える場合は表面処理Bの方が、親水性が明らかに高く、流路内の水溜まりによる流路断面積低下(圧力損失増加)を抑制することができる。また、セパレータの面内の流路の濡れ広がり長さの分布を調べることにより、親水性の評価を行ってもよい。
An example of the hydrophilicity evaluation of the separator is as follows.
Observe the spread length of the water droplets due to the dripping of water into the flow path of the separator. When water droplets are dropped from a height of several mm, for example, when the wet spread length of surface treatment A exceeds 5 mm and the wet spread length of surface treatment B exceeds 10 mm, surface treatment B is more hydrophilic. The property is clearly high, and it is possible to suppress a decrease in the cross-sectional area of the flow path (increase in pressure loss) due to a pool of water in the flow path. Further, the hydrophilicity may be evaluated by examining the distribution of the wet spread length of the flow path in the plane of the separator.

10 供給孔
20 排出孔
30 流路分岐部
40 流路合流部
50 セパレータ
60 外側セパレータ
100 燃料電池スタック
(1) 内側単セルのセパレータの面内内部流路
(2) 内側単セルのセパレータの端部流路
(3) 外側単セルの外側セパレータの面内内部流路
(4) 外側単セルの外側セパレータの端部流路
10 Supply hole 20 Discharge hole 30 Flow path branch 40 Flow path confluence 50 Separator 60 Outer separator 100 Fuel cell stack (1) In-plane inner flow path of inner single cell separator (2) Inner single cell separator end Flow path (3) In-plane inner flow path of the outer separator of the outer single cell (4) End flow path of the outer separator of the outer single cell

Claims (1)

電解質膜の両面に一対の電極を配置した膜電極接合体と、当該膜電極接合体を挟持する2枚のセパレータと、を備える単セルを1つ以上備える燃料電池であって、
前記セパレータは、流体を当該セパレータの面方向に流す流路と、当該流体を前記単セルの積層方向に流通させるための供給孔及び排出孔を有し、
前記セパレータは、同一面内に供給孔から排出孔までの少なくとも一部で3本以上の流路を有し、
3本以上の前記流路のうち両端に配置される2本の流路の少なくとも一方の流路の親水性が残りの流路に比べて高いことを特徴とする燃料電池。
A fuel cell comprising one or more single cells comprising a membrane electrode assembly in which a pair of electrodes are arranged on both sides of an electrolyte membrane and two separators sandwiching the membrane electrode assembly.
The separator has a flow path for flowing the fluid in the plane direction of the separator, and a supply hole and a discharge hole for flowing the fluid in the stacking direction of the single cell.
The separator has at least a part of three or more flow paths from the supply hole to the discharge hole in the same plane.
A fuel cell characterized in that the hydrophilicity of at least one of the two channels arranged at both ends of the three or more channels is higher than that of the remaining channels.
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