JP2023102413A

JP2023102413A - Fuel cell

Info

Publication number: JP2023102413A
Application number: JP2022002881A
Authority: JP
Inventors: 博之川合; Hiroyuki Kawai
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2022-01-12
Filing date: 2022-01-12
Publication date: 2023-07-25

Abstract

To improve performance of a fuel cell.SOLUTION: A fuel cell is provided, including: a membrane electrode assembly; and a separator laminated on the membrane electrode assembly, wherein the separator includes a flow channel supplying gas to the membrane electrode assembly, wherein a plurality of throttled portions where flow channel cross section areas become small are spaced in the flow channel, and wherein total cross section area of throttled flow channel obtained by summing the minimum flow channel cross rection areas of each throttled portion in the half of an upstream side is smaller than total of a downstream side throttled flow channel cross section area obtained by summing the minimum flow channel cross section area of each throttled portion included in the half of a downstream side, with respect to a whole length of the flow channel.SELECTED DRAWING: Figure 5

Description

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

特許文献１には、溝の断面積を小さくする部分（絞り部）を有する燃料電池用ガス流路が開示されている。さらに実施例では、ガス流れ方向下流側に向けて絞りと絞りとの間隔が狭くなる構成が開示されている。これは、流路の上流部に比べて下流部の方が水が溜まり易いため、ガスが拡散し難くなるとの考えから、このように絞りのピッチは後半の方が狭くなっているものである。
特許文献２には、第１及び第３流体溝部が膜電極接合体と第１及び第２セパレータとの積層方向で互いに対向し、第２及び第４流体溝部が積層方向で互いに対向し、第１及び第２冷媒溝部は、積層方向で互いに対向して共通の冷媒流路を画定し、第１流体溝部は、部分的に溝幅が広い幅広部を有し、第２流体溝部は、部分的に溝幅が狭い幅狭部を有し、第１流体溝部の幅広部は、第３流体溝部に接合され、第１流体溝部の幅広部の溝幅は、当該第１流体溝部の幅広部が接合された第３流体溝部の部位での溝幅以上であり、第１流体溝部の幅広部は、第１冷媒溝部を介して第２流体溝部の幅狭部に隣接している構成が開示されている。 Patent Literature 1 discloses a gas flow path for a fuel cell having a portion (throttled portion) that reduces the cross-sectional area of the groove. Furthermore, the embodiment discloses a configuration in which the distance between the throttles becomes narrower toward the downstream side in the gas flow direction. This is because the pitch of the throttle is narrower in the latter half of the passage because it is easier for water to accumulate in the downstream portion than in the upstream portion of the flow path, making it difficult for the gas to diffuse.
In Patent Document 2, the first and third fluid grooves face each other in the stacking direction of the membrane electrode assembly and the first and second separators, the second and fourth fluid grooves face each other in the stacking direction, the first and second coolant grooves face each other in the stacking direction to define a common coolant flow path, the first fluid groove has a wide part with a partially wide groove width, the second fluid groove part has a narrow part with a partially narrow groove width, and the first fluid groove has a wide width. The wide portion of the first fluid groove is joined to the third fluid groove, the groove width of the wide portion of the first fluid groove is greater than or equal to the width of the portion of the third fluid groove to which the wide portion of the first fluid groove is joined, and the wide portion of the first fluid groove is adjacent to the narrow portion of the second fluid groove through the first coolant groove.

特開２０１４－１７５１０３号公報JP 2014-175103 A 特開２０１９－１３９９２９号公報JP 2019-139929 A

本開示は燃料電池の性能を向上させることを目的とする。 The present disclosure aims to improve the performance of fuel cells.

発明者は、燃料電池に具備されるセパレータのガス流路において、特許文献１に開示されているようにその下流側で絞り間ピッチを狭くしても、下流側はそもそも酸素濃度が低いことから、絞りによる酸素濃度の上昇の効果は少ない知見を得た。特に、水が少なくなる高温運転時はその傾向が顕著であることを知見した。
これに対して、従来とは逆に、酸素濃度が高い上流側で絞りの程度を高めることで総合的にみると燃料電池性能が向上することに着想し、これを具体化することで発明を完成させた。 The inventors have found that even if the pitch between throttles is narrowed on the downstream side of the gas flow path of the separator provided in the fuel cell as disclosed in Patent Document 1, the effect of increasing the oxygen concentration by the throttle is small because the oxygen concentration is originally low on the downstream side. In particular, it has been found that this tendency is remarkable during high-temperature operation when water is scarce.
Contrary to the conventional method, the inventors came up with the idea that fuel cell performance could be improved overall by increasing the degree of throttling on the upstream side where the oxygen concentration is high.

本願は、膜電極接合体及び、膜電極接合体に積層されたセパレータを有する燃料電池であって、セパレータは膜電極接合体にガスを供給する流路を有し、流路には間隔を有して流路断面積が小さくなる絞り部が複数配置されており、流路の全長に対して、上流側半分に含まれる絞り部の各最小流路断面積を合計した上流側合計絞り流路断面積は、下流側半分に含まれる絞り部の各最小流路断面積を合計した下流側合計絞り流路断面積より小さい、燃料電池を開示する。 The present application discloses a fuel cell having a membrane electrode assembly and a separator stacked on the membrane electrode assembly, wherein the separator has a flow channel for supplying gas to the membrane electrode assembly, and the flow channel is provided with a plurality of throttling portions that are spaced apart to reduce the cross-sectional area of the flow channel. .

複数の絞り部の最小流路断面積が、上流側から下流側に向けて大きくなるように構成してもよい。 The minimum flow channel cross-sectional areas of the plurality of narrowed portions may be configured to increase from the upstream side toward the downstream side.

絞り部が配置される間隔が上流側半分より下流側半分の方が大きくなるように構成してもよい。 The interval at which the constricted portion is arranged may be larger in the downstream half than in the upstream half.

流路が上流側から下流側に向けて波状に延びるように構成してもよい。 The flow path may be configured to extend in a wavy form from the upstream side toward the downstream side.

本開示によれば、酸素濃度の高い上流側で酸素濃度を高めることができ、燃料電池性能を向上させることができる。特に、高温で高電流密度のような水が少なくなる条件で高い性能を得ることができる。 According to the present disclosure, the oxygen concentration can be increased on the upstream side where the oxygen concentration is high, and the fuel cell performance can be improved. In particular, high performance can be obtained under conditions such as high temperature and high current density where water is scarce.

図１は発電単位セル１０を平面視した図である。FIG. 1 is a plan view of a power generation unit cell 10. FIG. 図２は発電部１１の断面でありその層構成を説明する図である。FIG. 2 is a cross-sectional view of the power generation section 11 and is a diagram for explaining the layer structure thereof. 図３は発電部１１の断面であり図２とは異なる位置における層構成を説明する図である。FIG. 3 is a cross section of the power generation section 11 and is a diagram for explaining the layer structure at a position different from that in FIG. 図４はカソードセパレータ１５の発電部１１における斜視図である。FIG. 4 is a perspective view of the power generating section 11 of the cathode separator 15. FIG. 図５は図４のＣ-Ｃ断面を表す図である。FIG. 5 is a view showing a CC section of FIG. 図６は他の例を示す図５と同様の視点による図である。FIG. 6 is a view from the same viewpoint as FIG. 5 showing another example. 図７は他の例を示す図５と同様の視点による図である。FIG. 7 is a view from the same viewpoint as FIG. 5 showing another example. 図８は燃料電池スタックを説明する図である。FIG. 8 is a diagram illustrating a fuel cell stack.

１．発電単位セル
図１～図３に１つの形態にかかる発電単位セル１０を説明する図を示した。発電単位セル１０は、水素と酸素（空気）を供給することにより発電するための単位要素であり、このような発電単位セル１０が複数積層されて燃料電池スタックを構成している。
図１は発電単位セル１０を平面視した図、図２は発電単位セル１０のうち、Ａ－Ａに沿った断面の発電部１１における層構成を説明する図、図３は発電単位セル１０のうち、Ｂ－Ｂに沿った断面の発電部１１における層構成を説明する図である。 1. Power Generation Unit Cell FIGS. 1 to 3 show diagrams for explaining a power generation unit cell 10 according to one embodiment. The power generation unit cell 10 is a unit element for generating power by supplying hydrogen and oxygen (air), and a plurality of such power generation unit cells 10 are stacked to form a fuel cell stack.
1 is a plan view of the power generation unit cell 10, FIG. 2 is a diagram illustrating the layer configuration of the power generation unit 11 of the power generation unit cell 10 taken along the line AA, and FIG. 3 is a diagram illustrating the layer configuration of the power generation unit 11 of the power generation unit cell 10 taken along the line BB.

発電部１１は発電に寄与する部分であり、図２、図３に当該発電部１１における層構成（Ａ-Ａ断面の一部、Ｂ-Ｂ断面の一部）を表したように複数の層が積層されてなる。
発電単位セル１０の発電部１１では、電解質膜１２を挟んで一方がカソード（酸素供給側）、他方がアノード（水素供給側）である。カソードは電解質膜１２側からカソード触媒層１３、カソード拡散層１４、及び、カソードセパレータ１５がこの順に積層されている。一方アノードは、電解質膜１２側からアノード触媒層１６、アノード拡散層１７、及び、アノードセパレータ１８をこの順に備えている。なお、電解質膜１２、カソード触媒層１３、カソード拡散層１４、アノード触媒層１６、アノード拡散層１７による積層体を膜電極接合体と呼ぶことがある。膜電極接合体の厚さは０．４ｍｍ程度が典型的であり、発電部１１における発電単位セル１０の厚さは１．３ｍｍ程度が典型的である。 The power generation section 11 is a portion that contributes to power generation, and is formed by laminating a plurality of layers as shown in FIGS.
In the power generation unit 11 of the power generation unit cell 10, one side of the electrolyte membrane 12 is a cathode (oxygen supply side) and the other side is an anode (hydrogen supply side). In the cathode, a cathode catalyst layer 13, a cathode diffusion layer 14, and a cathode separator 15 are laminated in this order from the electrolyte membrane 12 side. On the other hand, the anode comprises an anode catalyst layer 16, an anode diffusion layer 17, and an anode separator 18 in this order from the electrolyte membrane 12 side. Note that a laminate composed of the electrolyte membrane 12, the cathode catalyst layer 13, the cathode diffusion layer 14, the anode catalyst layer 16, and the anode diffusion layer 17 is sometimes called a membrane electrode assembly. The thickness of the membrane electrode assembly is typically about 0.4 mm, and the thickness of the power generation unit cell 10 in the power generation section 11 is typically about 1.3 mm.

１．１．電解質膜
電解質膜１２は湿潤状態において良好なプロトン伝導性を示す固体高分子薄膜である。例えばフッ素系のイオン交換膜によって構成され、炭素－フッ素系高分子を用いることができ、具体的にはパーフルオロアルキルスルフォン酸系ポリマー（ナフィオン（登録商標））等が挙げられる。
電解質膜１２の厚さは特に限定されることはないが、１００μｍ以下、好ましくは５０μｍ以下、より好ましくは１０μｍ以下である。 1.1. Electrolyte Membrane The electrolyte membrane 12 is a solid polymer thin film that exhibits good proton conductivity in wet conditions. For example, it is composed of a fluorine-based ion exchange membrane, and a carbon-fluorine-based polymer can be used. Specifically, a perfluoroalkylsulfonic acid-based polymer (Nafion (registered trademark)) can be used.
The thickness of the electrolyte membrane 12 is not particularly limited, but is 100 μm or less, preferably 50 μm or less, more preferably 10 μm or less.

１．２．カソード触媒層
カソード触媒層１３は、触媒金属が担体に担持されている形態で触媒金属が含まれる層である。例えば、触媒金属としてはＰｔ、Ｐｄ、Ｒｈ、又はこれらを含む合金が挙げられる。担体としては、炭素担体、より詳しくはグラッシーカーボン、カーボンブラック、活性炭、コークス、天然黒鉛、及び、人造黒鉛等からなる炭素粒子を挙げることができる。 1.2. Cathode Catalyst Layer The cathode catalyst layer 13 is a layer containing a catalyst metal in the form of being supported on a carrier. For example, catalyst metals include Pt, Pd, Rh, or alloys containing these. Examples of the carrier include carbon carriers, more specifically carbon particles made of glassy carbon, carbon black, activated carbon, coke, natural graphite, artificial graphite, and the like.

１．３．アノード触媒層
アノード触媒層１６も、カソード触媒層１３と同様に、触媒金属が担体に担持されている形態で触媒金属が含まれる層である。例えば、触媒金属としてはＰｔ、Ｐｄ、Ｒｈ、又はこれらを含む合金が挙げられる。担体としては、炭素担体、より詳しくはグラッシーカーボン、カーボンブラック、活性炭、コークス、天然黒鉛、及び、人造黒鉛等からなる炭素粒子を挙げることができる。 1.3. Anode Catalyst Layer Like the cathode catalyst layer 13, the anode catalyst layer 16 is also a layer containing a catalyst metal in the form of being supported on a carrier. For example, catalyst metals include Pt, Pd, Rh, or alloys containing these. Examples of the carrier include carbon carriers, more specifically carbon particles made of glassy carbon, carbon black, activated carbon, coke, natural graphite, artificial graphite, and the like.

１．４．カソード拡散層
カソード拡散層１４は、例えば導電性を有する多孔質体で構成できる。より具体的な例としては、カーボン多孔体（カーボンペーパー、カーボンクロス、ガラス状カーボン等）、金属多孔体（金属メッシュ、発泡金属）等が挙げられる。
カソード拡散層には必要に応じてＭＰＬ（マイクロポーラス層）を設けてもよい。ＭＰＬは、カソード拡散層１４のうちカソード触媒層１３側に塗工された被覆状の薄膜である。ＭＰＬは必要に応じて撥水性や親水性を有して水分の調整をする機能を有する。ＭＰＬとしてポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等の撥水性樹脂とカーボンブラックなどの導電性材料を主成分とするものが典型的である。 1.4. Cathode Diffusion Layer The cathode diffusion layer 14 can be made of, for example, a conductive porous material. More specific examples include carbon porous bodies (carbon paper, carbon cloth, vitreous carbon, etc.), metal porous bodies (metal mesh, metal foam), and the like.
An MPL (microporous layer) may be provided on the cathode diffusion layer as necessary. MPL is a coating-like thin film coated on the cathode catalyst layer 13 side of the cathode diffusion layer 14 . MPL has water repellency or hydrophilicity and has a function of adjusting moisture as required. A typical MPL is mainly composed of a water-repellent resin such as polytetrafluoroethylene (PTFE) and a conductive material such as carbon black.

１．５．アノード拡散層
アノード拡散層１７は、例えば導電性を有する多孔質体で構成できる。より具体的な例としては、カーボン多孔体（カーボンペーパー、カーボンクロス、ガラス状カーボン等）、金属多孔体（金属メッシュ、発泡金属）等が挙げられる。 1.5. Anode Diffusion Layer The anode diffusion layer 17 can be made of, for example, a conductive porous material. More specific examples include carbon porous bodies (carbon paper, carbon cloth, vitreous carbon, etc.), metal porous bodies (metal mesh, metal foam), and the like.

１．６．カソードセパレータ
カソードセパレータ１５はカソード拡散層１４に反応ガス（本形態では空気）を供給する部材であり、カソード拡散層１４に対向する面に開口する、複数の溝１５ａを有しており、この溝１５ａが反応ガスの流路として機能する。溝１５ａの態様は後述する。 1.6. Cathode Separator The cathode separator 15 is a member that supplies reaction gas (air in this embodiment) to the cathode diffusion layer 14, and has a plurality of grooves 15a that are open on the surface facing the cathode diffusion layer 14. The grooves 15a function as channels for the reaction gas. A mode of the groove 15a will be described later.

また、カソードセパレータ１５には、図１からわかるように、発電部１１から延長して発電部１１の外側となる位置で、溝１５ａの一端側となる部位には空気入口孔Ａ_ｉｎ、冷却水入口孔Ｗ_ｉｎ、水素出口孔Ｈ_ｏｕｔが設けられ、溝１５ａの他端側となる部位には空気出口孔Ａ_ｏｕｔ、冷却水出口孔Ｗ_ｏｕｔ、水素入口孔Ｈ_ｉｎが設けられている。ここで溝１５ａは空気入口孔Ａ_ｉｎ、空気出口孔Ａ_ｏｕｔに連通している。また図示は省略するがカソードセパレータ１５に、又は別途設けれられる冷却水用流路が冷却水入口孔Ｗ_ｉｎ、冷却水出口孔Ｗ_ｏｕｔに連通している。 As can be seen from FIG. 1, the cathode separator 15 is provided with an air inlet hole A _in , a cooling water inlet hole W _in , and a hydrogen outlet hole H _out at a position on the outside of the power generation section 11 extending from the power generation section 11, and an air outlet hole A _out , a cooling water outlet hole W _out , and a hydrogen inlet hole H _in on the other end side of the groove 15a. Here, the groove 15a communicates with the air inlet hole A _in and the air outlet hole A _out . Also, although not shown, a cooling water passage provided in the cathode separator 15 or separately communicates with the cooling water inlet hole W _in and the cooling water outlet hole W _out .

カソードセパレータ１５を構成する材料は、発電単位セルのセパレータとして用いることができる任意の材料であってよく、ガス不透過性の導電性材料であってよい。このような材料としては、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や、プレス成型した金属板等を挙げることができる。 The material constituting the cathode separator 15 may be any material that can be used as a separator for a power generation unit cell, and may be a gas impermeable conductive material. Examples of such materials include dense carbon made gas-impermeable by compressing carbon, and press-molded metal plates.

［溝（流路）］
図４、図５にはカソードセパレータ１５のうち、発電部１１における溝１５ａの形態を説明する図を示した。図４、図５は説明のための概念的に示した模式的な図であり、実際には微細な構造であって溝（流路）や後述する絞り部はさらに多数配置されている。図４はカソードセパレータ１５の発電部１１に配置される部位の外観斜視図、図５は図４にＣーＣで示した線に沿った断面図である。 [Groove (channel)]
4 and 5 are diagrams for explaining the form of the grooves 15a in the power generation section 11 of the cathode separator 15. FIG. FIGS. 4 and 5 are schematic diagrams conceptually shown for explanation, and actually have a fine structure, and a large number of grooves (flow paths) and narrowed portions, which will be described later, are arranged. 4 is an external perspective view of a portion of the cathode separator 15 disposed in the power generating section 11, and FIG. 5 is a cross-sectional view taken along line C--C in FIG.

これら図からわかるように、カソードセパレータ１５は、壁１５ｂに仕切られた複数の略平行に延びる溝１５ａを有しており、これが酸化ガス（空気）及び、生成された水が流れる流路として機能する。 As can be seen from these figures, the cathode separator 15 has a plurality of substantially parallel grooves 15a partitioned by walls 15b, which function as flow paths for oxidizing gas (air) and water produced.

ここで、溝１５ａには、その溝の横断面（溝が延びる方向に直交する断面）が小さくなる絞り部Ｓを有し、この絞り部Ｓは１つの溝１５ａに対して酸化ガスが流れる方向に沿って複数設けられている。溝１５ａの横断面を小さくするための手段は特に限定されることはないが、本形態では壁１５ｂから突起１５ｃが突出することで溝幅（溝が配列される方向の溝の大きさ）が狭められることで溝の横断面を小さくしている。従って図２の断面は図５のＡ－Ａ線に沿った断面（絞り部Ｓが具備されない位置の断面）に相当し、図３の断面は図５のＢ－Ｂ線に沿った断面（絞り部Ｓが具備された位置の断面）に相当する。
なお、本形態では、溝１５ａ（流路）のうち、壁１５ｂに具備された対向する側壁面のそれぞれに突起１５ｃを設けることで絞り部Ｓを形成したが、これに限定されることはなく一方の側壁面からのみに突起１５ｃを設けて絞り部を形成してもよい。また、突起１５ｃは壁１５ｂの側壁面に設ける必要はなく、溝１５ｂの底面（カソード拡散層１４に対向する面）に突起を設けることで絞り部を形成してもよい。 Here, the groove 15a has a narrowed portion S in which the cross section of the groove (the cross section perpendicular to the direction in which the groove extends) becomes small, and a plurality of the narrowed portions S are provided along the direction in which the oxidizing gas flows with respect to one groove 15a. The means for reducing the cross section of the groove 15a is not particularly limited, but in this embodiment, the width of the groove (the size of the groove in the direction in which the grooves are arranged) is narrowed by projecting the protrusion 15c from the wall 15b, thereby reducing the cross section of the groove. Therefore, the cross section in FIG. 2 corresponds to the cross section along line AA in FIG. 5 (the cross section at the position where the throttle portion S is not provided), and the cross section in FIG. 3 corresponds to the cross section along the line BB in FIG. 5 (the cross section at the position where the throttle portion S is provided).
In the present embodiment, the narrowed portion S is formed by providing the projections 15c on the opposing side wall surfaces provided on the wall 15b of the groove 15a (channel), but the narrowed portion may be formed by providing the projection 15c only from one side wall surface. Moreover, the protrusion 15c does not need to be provided on the side wall surface of the wall 15b, and the narrowed portion may be formed by providing a protrusion on the bottom surface of the groove 15b (the surface facing the cathode diffusion layer 14).

このように絞り部Ｓを設けると、絞り部Ｓではベンチュリ効果により酸化ガスの流速が速くなり、これによりベルヌーイの定理からわかるように当該部分における酸化ガスの圧力が低くなる。すると、隣接する溝１５ａの隣り合う部分（絞り部Ｓがない部分）との間で差圧が生じる。これにより、図３に矢印Ｅで示したようにカソード拡散層１４を通り流体が高い圧力の溝１５ａ部分から低い圧力の溝１５ａ部分へ流れ、対流が起こり、カソード拡散層１４への酸化ガスの拡散性や、生成した水の排水性を高めることができる。
かかる観点から、隣り合う溝１５ａでは幅方向（溝１５ａが配列される方向）で異なる位置に絞り部Ｓが配置されることが好ましい。ただし、隣り合う溝１５ａで幅方向に同じ位置に絞り部Ｓがあっても近接する差圧が生じる部分で上記対流は起こるので効果を奏するものとなる。 When the constricted portion S is provided in this way, the flow velocity of the oxidizing gas increases due to the venturi effect in the constricted portion S, and as a result, the pressure of the oxidizing gas in the corresponding portion decreases as can be seen from Bernoulli's theorem. Then, a differential pressure is generated between adjacent portions of the adjacent grooves 15a (portions without the constricted portion S). As a result, the fluid flows through the cathode diffusion layer 14 from the high-pressure groove 15a portion to the low-pressure groove 15a portion as indicated by arrow E in FIG.
From this point of view, it is preferable that the constricted portions S are arranged at different positions in the width direction (the direction in which the grooves 15a are arranged) in the adjacent grooves 15a. However, even if the adjacent grooves 15a have the constricted portions S at the same position in the width direction, the convection occurs at the portion where the adjacent pressure difference occurs, so that the effect is obtained.

絞り部Ｓの形態は特に限定されることはなく、本形態のように半楕円形の突起１５ｃが対向するように構成してもよいし、その他、半円形、三角形、四角形（長方形、正方形、台形等）、その他の定型的な幾何学形状の他、不定形的な形態の突起であってもよい。ここで、絞り部Ｓにおける圧力損失低減の観点から酸化ガスの流動抵抗が小さくなる形態であることが好ましい。 The shape of the constricted portion S is not particularly limited, and it may be configured such that semi-elliptical projections 15c face each other as in this embodiment, or may be semi-circular, triangular, quadrangular (rectangular, square, trapezoidal, etc.), other typical geometric shapes, or irregularly shaped projections. Here, from the viewpoint of reducing the pressure loss in the constricted portion S, it is preferable that the flow resistance of the oxidizing gas is reduced.

また、本形態で全溝（全流路）を見たときに酸化ガスが流れる全溝（全流路）の全長において、上流側半分に含まれる絞り部Ｓの横断面が最小である最小流路断面積を合計した上流側合計絞り流路断面積Ｓ_ｊは、下流側半分に含まれる絞り部Ｓの最小流路断面積を合計した下流側合計絞り流路断面積Ｓ_ｋより小さくなるように構成されている。
これにより、酸素濃度がまだ高い上流側で絞りを強くすることができ、酸素濃度を高めることが可能となるため発電効率を上げることができる。一方下流側では、酸素の消費により既に酸素の濃度が低くなっており、絞りを強くしてもその効果は限定的である。特に高温かつ高電流密度のような水が少なくなる条件ではその傾向が顕著である。
下流側合計絞り流路断面積Ｓ_ｋに対する上流側合計絞り流路断面積Ｓ_ｊの程度は特に限定されることはないが、（Ｓ_ｊ／Ｓ_ｋ）×１００％で５％～５０％であることが好ましい。 In addition, when all grooves (all flow paths) are viewed in this embodiment, the total upstream side throttled flow path cross-sectional area Sj, which is the total of the minimum flow path cross-sectional areas of the narrowed portions S included in the upstream half, is smaller than the downstream total throttled flow path cross-sectional area _Sk , which is the total of the minimum flow path cross-sectional areas of the throttled portions S included in the downstream half, over the entire length of all the grooves (all flow paths) through _which the oxidizing gas flows.
As a result, the restriction can be strengthened on the upstream side where the oxygen concentration is still high, and the oxygen concentration can be increased, so that the power generation efficiency can be improved. On the other hand, on the downstream side, the oxygen concentration is already low due to the consumption of oxygen, and even if the throttling is increased, the effect is limited. In particular, this tendency is remarkable under conditions such as high temperature and high current density where the amount of water decreases.
The degree of the upstream total throttle channel cross-sectional area S _j relative to the downstream total throttle channel cross-sectional area S _k is not particularly limited, but (S _j /S _k )×100% is preferably 5% to 50%.

また、下流側半分には絞り部Ｓを設けない形態であってもよいし、酸化ガスが流れる方向の全長に対して上流側１／２１～２／３のいずれかの範囲のみに絞り部Ｓを集中させてもよい。 Alternatively, the throttle portion S may not be provided in the downstream half, or the throttle portion S may be concentrated only in a range of 1/21 to 2/3 on the upstream side with respect to the entire length in the direction in which the oxidizing gas flows.

１つの溝１５ａ（流路）に備えられる絞り部Ｓの数は、絞り部Ｓにより減少させたい流路の横断面の断面積に従うため限定することはできないが、絞り部Ｓが増えることによりカソードセパレータ全体における圧力損失が大きくなる。圧力損失が大きくなり過ぎれば酸化ガスの流動自体に不具合を生じる虞がある。従って、カソードセパレータ全体で許容される圧力損失の範囲内で、絞り部Ｓの数や各絞り部における流路断面積の減少の程度を分配して決めることができる。１つの絞り部Ｓの横断面の最小流路断面積は、絞り部Ｓでない部位の横断面の流路断面積に比べて１５％～８５％の範囲であることが好ましい。 The number of constricted portions S provided in one groove 15a (channel) cannot be limited because it follows the cross-sectional area of the flow channel to be reduced by the constricted portions S, but an increase in the constricted portions S increases the pressure loss in the entire cathode separator. If the pressure loss becomes too large, there is a risk that the flow of the oxidizing gas itself will be disturbed. Therefore, the number of the narrowed portions S and the degree of reduction of the cross-sectional area of the flow path in each narrowed portion can be distributed and determined within the range of pressure loss that is permissible for the entire cathode separator. The minimum channel cross-sectional area of the cross section of one constricted portion S is preferably in the range of 15% to 85% of the cross-sectional flow channel cross-sectional area of a portion other than the constricted portion S.

＜形態例１＞
形態例１では絞り部Ｓの横断面において最小流路断面積が部位によって変わる形態である。具体的な例の１つはここまで示した図５の形態である。図５の例では、各溝（各流路）において、絞り部Ｓの最小流路断面積が酸化ガスが流れる上流側から下流側に向けて次第に大きくなる形態である。
この他、図５のように最小流路断面積を次第に変えるのではなく、上流側半分と下流側半分とで絞り部Ｓの最小流路断面積を変える形態であってもよい。 <Form example 1>
In the form example 1, the cross section of the constricted portion S has a form in which the minimum cross-sectional area of the flow path changes depending on the part. One specific example is the form of FIG. 5 shown so far. In the example of FIG. 5, in each groove (each channel), the minimum channel cross-sectional area of the narrowed portion S gradually increases from the upstream side through which the oxidizing gas flows toward the downstream side.
Alternatively, instead of gradually changing the minimum cross-sectional area of the flow path as shown in FIG.

＜形態例２＞
図６に形態例２を説明する図を示した。図６は図５と同様の視点による図である。
形態例２では絞り部Ｓの数を上流側半分と下流側半分とで変更した例である。具体的な例の１つは図６に示したように、各絞り部Ｓにおける横断面のうち最小流路断面積は同じであるが、上流側半分に多くの絞り部Ｓが含まれ、下流側半分の絞り部Ｓが少ない。すなわち絞り部Ｓのピッチが一定でなく変化している。
ピッチの変化は特に限定されることはなく、流れ方向に沿って次第に大きくなっていくような規則的な変化であってもよいし、不規則的な変化であってもよい。 <Form Example 2>
FIG. 6 shows a diagram for explaining the second embodiment. FIG. 6 is a view from the same viewpoint as FIG.
Embodiment 2 is an example in which the number of constricted portions S is changed between the upstream half and the downstream half. As shown in FIG. 6, one specific example is that the minimum cross-sectional area of the cross section of each constricted portion S is the same, but the upstream half includes many constricted portions S, and the downstream half includes fewer constricted portions S. That is, the pitch of the narrowed portion S is not constant but varies.
The change in pitch is not particularly limited, and may be a regular change that gradually increases along the flow direction, or may be an irregular change.

なお、図６では各絞り部Ｓにおける横断面の最小流路断面積は同じとしたが、必ずしも各絞り部Ｓの最小流路断面積を同じにする必要はない。例えば形態例１で説明した形態を同時に満たすように構成してもよい。 In FIG. 6, the minimum flow channel cross-sectional areas of the cross sections of the throttle portions S are assumed to be the same, but the minimum flow channel cross-sectional areas of the throttle portions S do not necessarily have to be the same. For example, it may be constructed so as to simultaneously satisfy the form described in the form example 1. FIG.

＜形態例３＞
図７に形態例３を説明する図を示した。図７は図５と同様の視点による図である。
形態例３では溝１５ａ（流路）が上流から下流に向けて一直線でなく波状である。これにより、面内の発電が均一化される。波状である形態は特に限定されることはなく、図７の例のように矩形波状であってもよく、その他、正弦波、三角波、鋸波のような定型の波状や、曲線及び／又は直線が組み合わされてなる不定形的な波状であってもよい。
絞り部Ｓの特徴はここまで説明した絞り部Ｓと同様に考えることができる。なお、上流側半分、下流側半分を考えるときの全長は溝（流路）が延びる方向に沿った１つの溝１５ａ（流路）の全長でありカソードセパレータ１５の長さではない。 <Form example 3>
FIG. 7 shows a diagram for explaining the third embodiment. FIG. 7 is a view from the same viewpoint as FIG.
In form example 3, the groove 15a (flow path) is not straight but wavy from upstream to downstream. This makes the power generation in the plane uniform. The wave shape is not particularly limited, and may be a rectangular wave shape as in the example of FIG. 7, a regular wave shape such as a sine wave, a triangular wave, or a sawtooth wave, or an irregular wave shape formed by combining curved lines and/or straight lines.
The characteristics of the constricted portion S can be considered in the same manner as the constricted portion S described so far. Note that the total length when considering the upstream half and the downstream half is the total length of one groove 15a (channel) along the extending direction of the groove (channel), not the length of the cathode separator 15. FIG.

１．７．アノードセパレータ
アノードセパレータ１８はアノード拡散層１７に反応ガス（水素）を供給する部材であり、アノード拡散層１７に対向する面に、複数の溝１８ａを有しており、この溝が反応ガス流路として機能する。溝の形状は反応ガスを適切にアノード拡散層１７に供給することができれば特に限定されることはなく、公知の形態を適用することができるが、上記したカソードセパレータ１５の溝１５ａと同じように構成してもよい。 1.7. Anode Separator The anode separator 18 is a member that supplies the reaction gas (hydrogen) to the anode diffusion layer 17, and has a plurality of grooves 18a on the surface facing the anode diffusion layer 17. These grooves function as reaction gas flow paths. The shape of the groove is not particularly limited as long as the reaction gas can be appropriately supplied to the anode diffusion layer 17, and a known form can be applied.

また、アノードセパレータ１８には、図１からわかるように、発電部１１から延長して外側となる位置で、溝１８ａの一端側となる部位には空気入口孔Ａ_ｉｎ、冷却水入口孔Ｗ_ｉｎ、水素出口孔Ｈ_ｏｕｔが設けられ、溝１８ａ、溝１８ｂの他端側となる部位には空気出口孔Ａ_ｏｕｔ、冷却水出口孔Ｗ_ｏｕｔ、水素入口孔Ｈ_ｉｎが設けられている。ここで溝１８ａは水素入口孔Ｈ_ｉｎ、水素出口孔Ｈ_ｏｕｔに連通している。また図示は省略するがアノードセパレータ１８に、又は別途設けれられる冷却水用流路が冷却水入口孔Ｗ_ｉｎ、冷却水出口孔Ｗ_ｏｕｔに連通している。 As can be seen from FIG. 1, the anode separator 18 has an air inlet hole A _in , a cooling water inlet hole W _in , and a hydrogen outlet hole H _out at one end side of the groove 18 _{a, and an air outlet hole A out , a cooling water outlet hole W out , and a hydrogen inlet hole Hin} _at _the other end side of the grooves 18 a and 18 b. Here, the groove 18a communicates with the hydrogen inlet hole H _in and the hydrogen outlet hole H _out . Also, although not shown, a cooling water passage provided in the anode separator 18 or separately communicates with the cooling water inlet hole W _in and the cooling water outlet hole W _out .

アノードセパレータ１８を構成する材料は、発電単位セルのセパレータとして用いることができる任意の材料であってよく、ガス不透過性の導電性材料であってよい。このような材料としては、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や、プレス成型した金属板等を挙げることができる。 The material that constitutes the anode separator 18 may be any material that can be used as a separator in a power generation unit cell, and may be a gas-impermeable conductive material. Examples of such materials include dense carbon made gas-impermeable by compressing carbon, and press-molded metal plates.

１．８．発電部による発電
公知の通りであるが、以上説明した発電単位セル１０により次のように発電が行われる。
アノードセパレータ１８の溝１８ａから水素が供給されると水素はアノード拡散層１７を通りアノード触媒層１６にてプロトン（Ｈ^＋）と電子（ｅ^－）に分解され、プロトンは電解質膜１２を通り、電子は外部へつながる導電線を通り、それぞれがカソード触媒層１３に達する。ここで、カソード触媒層１３にはカソードセパレータ１５の溝１５ａからカソード拡散層１４を介して酸素（空気）供給されており、カソード触媒層１３では、プロトン、電子、酸素により水（Ｈ_２Ｏ）が発生する。発生した水はカソード拡散層１４を通りカソードセパレータ１５の溝１５ａに達して排出される。
すなわち、発電単位セル１０ではアノード触媒層１６から外部へつながる導電線を通る電子の流れを電流として利用する。 1.8. Power Generation by Power Generation Unit As is well known, power generation is performed by the power generation unit cell 10 described above as follows.
When hydrogen is supplied from the grooves 18a of the anode separator 18, the hydrogen passes through the anode diffusion layer 17 and is decomposed into protons (H ⁺ ) and electrons (e ⁻ ) in the anode catalyst layer 16. The protons pass through the electrolyte membrane 12, and the electrons pass through a conductive wire leading to the outside and reach the cathode catalyst layer 13. Oxygen (air) is supplied to the cathode catalyst layer 13 from the grooves 15a of the cathode separator 15 through the cathode diffusion layer 14, and water (H ₂ O) is generated in the cathode catalyst layer 13 by protons, electrons, and oxygen. The generated water passes through the cathode diffusion layer 14, reaches the grooves 15a of the cathode separator 15, and is discharged.
In other words, in the power generation unit cell 10, electron flow through a conductive line extending from the anode catalyst layer 16 to the outside is used as current.

２．燃料電池スタック
燃料電池スタック２０は、上記した発電単位セル１０が複数（５０枚～４００枚程度）重ねられてなる部材であり、複数の発電単位セル１０から集電を行う。図８にその構成の概要を示した。燃料電池スタック２０は、スタックケース２１、エンドプレート２２、複数の発電単位セル１０、集電板２４、及び、付勢部材２５を備えている。 2. Fuel Cell Stack The fuel cell stack 20 is a member formed by stacking a plurality (approximately 50 to 400 sheets) of the power generation unit cells 10 described above, and collects current from the plurality of power generation unit cells 10 . FIG. 8 shows the outline of the configuration. The fuel cell stack 20 includes a stack case 21 , end plates 22 , a plurality of power generation unit cells 10 , collector plates 24 and biasing members 25 .

スタックケース２１は、重ねられた複数の発電単位セル１０、集電板２４、及び、付勢部材２５をその内側に収納する筐体である。本形態でスタックケース２１は四角形の筒状で一端が開口し、他端が閉じているとともに、開口の縁に沿って開口とは反対側に板状の片が張り出し、フランジ２１ａを形成している。 The stack case 21 is a housing that accommodates a plurality of stacked power generation unit cells 10 , collector plates 24 , and biasing members 25 inside thereof. In this embodiment, the stack case 21 has a rectangular cylindrical shape, one end of which is open and the other end of which is closed.

エンドプレート２２は板状の部材であり、スタックケース２１の開口を塞ぐ。スタックケース２１のフランジ２１ａとの重なり部分をボルト及びナット等によりスタックケース２１にフタをするようにエンドプレート２２がスタックケース２１に固定される。 The end plate 22 is a plate-like member that closes the opening of the stack case 21 . The end plate 22 is fixed to the stack case 21 so that the overlapping portion of the stack case 21 with the flange 21a covers the stack case 21 with bolts, nuts, or the like.

発電単位セル１０は上記の通りである。このような発電単位セル１０が複数重ねられている。このとき、１つの発電単位セル１０のカソードセパレータ１５に隣接する発電単位セル１０のアノードセパレータ１８が重なるように配置する。そしてカソードセパレータ１５とアノードセパレータ１８との間に冷却水流路が形成され、冷却水が流される。 The power generation unit cell 10 is as described above. A plurality of such power generation unit cells 10 are stacked. At this time, the cathode separator 15 of one power generation unit cell 10 and the anode separator 18 of the power generation unit cell 10 adjacent to each other are arranged to overlap each other. A cooling water flow path is formed between the cathode separator 15 and the anode separator 18, through which cooling water flows.

集電板２４は、積層された発電単位セル１０から集電を行う部材である。従って集電板２４は発電単位セル１０の積層体の一端及び他端のそれぞれに配置されており、一方が正極、他方が負極となる。この集電板２４に不図示の端子が接続され、外部に電気的に接続できるように構成されている。 The current collector plate 24 is a member that collects current from the stacked power generation unit cells 10 . Accordingly, the current collector plates 24 are arranged at one end and the other end of the laminate of the power generation unit cells 10, one of which serves as a positive electrode and the other a negative electrode. A terminal (not shown) is connected to the current collecting plate 24 so as to be electrically connected to the outside.

付勢部材２５は、スタックケース２１の内側に収まり、発電単位セル１０の積層体に対してその積層方向に押圧力を付与する。付勢部材として例えば皿バネ等を挙げることができる。 The biasing member 25 is housed inside the stack case 21 and applies a pressing force to the stack of power generating unit cells 10 in the stacking direction. For example, a disk spring or the like can be used as the biasing member.

３．実施例
図５で示した形態例１に倣って、本形態例によるカソードセパレータを用いた発電単位セル（実施例１）、及び、形態例１とは逆に下流側半分の方が上流側半分よりも絞り部流路断面積の合計が小さい例（比較例１）の発電単位セルについて酸素濃度を計算した。計算手順は次の通りである。
（１）絞り部がない流路の、ある発電状態における酸化ガス入口から出口への流路内の酸素濃度分布を計算した。
（２）ある一定のカソードセパレータによる酸化ガスの圧力損失をΔＰ_{ｔｏｔａｌ}として決め、ΔＰ_{ｔｏｔａｌ}になるように、各絞り部における流路断面積を割り振る。すなわち、実施例１及び比較例１では圧力損失は同じとした。
（３）絞り部の効果により隣の溝（流路）との差圧が決まるため、その差圧による対流と拡散の微分方程式を解いて、当該部位におけるカソード触媒層表面の酸素濃度を計算した。当該計算は拡散のみの２階微分方程式を解いてカソード触媒層表面の酸素濃度を算出した（溝（流路）からカソード触媒層表面への酸化ガスの対流、拡散はカソード拡散層の透気度を考慮して計算。）。 3. 5, the oxygen concentration was calculated for a power generation unit cell using the cathode separator according to this embodiment (Example 1), and a power generation unit cell of an example (Comparative Example 1) in which the downstream half has a smaller total channel cross-sectional area than the upstream half (Comparative Example 1). The calculation procedure is as follows.
(1) The oxygen concentration distribution in the flow path from the oxidant gas inlet to the outlet in a certain power generation state was calculated for the flow path without the constricted portion.
(2) The pressure loss of the oxidizing gas due to a certain cathode separator is determined as ΔP _total , and the cross-sectional area of the passage in each constricted portion is allocated so as to achieve ΔP _total . That is, Example 1 and Comparative Example 1 had the same pressure loss.
(3) Since the differential pressure between adjacent grooves (channels) is determined by the effect of the constricted portion, the differential equation of convection and diffusion due to the differential pressure was solved to calculate the oxygen concentration on the surface of the cathode catalyst layer at that portion. In the calculation, the oxygen concentration on the surface of the cathode catalyst layer was calculated by solving a second-order differential equation for diffusion only (convection of the oxidizing gas from the groove (channel) to the surface of the cathode catalyst layer, and diffusion was calculated taking into account the air permeability of the cathode diffusion layer).

表１に結果を示した。結果では、最も酸素濃度が高くなる部位における比較例１の酸素濃度を１００％としたときの実施例１の酸素濃度を比率で表した。 Table 1 shows the results. In the results, the oxygen concentration of Example 1 was expressed as a ratio when the oxygen concentration of Comparative Example 1 at the site where the oxygen concentration was the highest was taken as 100%.

酸素濃度はいずれの例も最初の絞り部（最も上流側の絞り部）において最大となるが、表１のように実施例１と比較例１とで酸素濃度に大きな差があることがわかる。 In all examples, the oxygen concentration reaches its maximum at the first constricted portion (the most upstream constricted portion).

４．効果等
本開示によれば、絞り部Ｓにより流れるガスに対流を生じさせてガスの拡散効率を高めることができるとともに、絞り部Ｓの配置によりガスの濃度が高い上流側でさらにガス濃度（密度）を高めることができる。これにより効率よい発電を促進することが可能となり、燃料電池性能を向上させることができる。特に、高温で高電流密度のような生成される水が少ない条件で効果が顕著となる。 4. Effect etc. According to the present disclosure, it is possible to increase the diffusion efficiency of the gas by generating convection in the flowing gas by the constricted portion S, and further increase the gas concentration (density) on the upstream side where the gas concentration is high due to the arrangement of the constricted portion S. This makes it possible to promote efficient power generation and improve fuel cell performance. In particular, the effect is remarkable under conditions such as high temperature and high current density where little water is generated.

１０発電単位セル
１１発電部
１２電解質膜
１３カソード触媒層
１４カソード拡散層
１５カソードセパレータ
１６アノード触媒層
１７アノード拡散層
１８アノードセパレータ
２０燃料電池スタック REFERENCE SIGNS LIST 10 power generation unit cell 11 power generation section 12 electrolyte membrane 13 cathode catalyst layer 14 cathode diffusion layer 15 cathode separator 16 anode catalyst layer 17 anode diffusion layer 18 anode separator 20 fuel cell stack

Claims

A fuel cell having a membrane electrode assembly and a separator laminated on the membrane electrode assembly,
The separator has a channel for supplying gas to the membrane electrode assembly,
A plurality of constricted portions having a small flow passage cross-sectional area are arranged at intervals in the flow passage,
With respect to the total length of the flow channel, the upstream total throttled flow channel cross-sectional area obtained by summing the minimum flow channel cross-sectional areas of the throttled portions included in the upstream half is smaller than the downstream total throttled flow channel cross-sectional area obtained by summing the minimum flow channel cross-sectional areas of the throttled portions included in the downstream half.
Fuel cell.

2. The fuel cell according to claim 1, wherein the minimum cross-sectional area of the plurality of narrowed portions increases from the upstream side to the downstream side.

3. The fuel cell according to claim 1, wherein the interval at which the narrowed portion is arranged is larger in the downstream half than in the upstream half.

4. The fuel cell according to any one of claims 1 to 3, wherein the flow path extends in a wavy form from the upstream side to the downstream side.