JP4432291B2

JP4432291B2 - Fuel cell

Info

Publication number: JP4432291B2
Application number: JP2001219811A
Authority: JP
Inventors: 康之浅井; 剛高橋; 稔幸鈴木; 一新曽; 光悦日比野; 敏幸稲垣; 克宏梶尾; 勉越智; 三喜男和田; 裕一八神; 治久新美
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2001-07-19
Filing date: 2001-07-19
Publication date: 2010-03-17
Anticipated expiration: 2021-07-19
Also published as: JP2003036865A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池に関し、とくに固体高分子電解質型燃料電池のセパレータの割れ防止構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
固体高分子電解質型燃料電池は、イオン交換膜からなる電解質膜とこの電解質膜の一面に配置された触媒層および拡散層からなる電極（アノード、燃料極）および電解質膜の他面に配置された触媒層および拡散層からなる電極（カソード、空気極）とからなる膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly ）と、アノード、カソードに燃料ガス（水素）および酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給するための反応ガス流路を形成するセパレータとからセルを構成し、複数のセルを積層してモジュールとし、モジュールを積層してモジュール群を構成し、モジュール群のセル積層方向両端に、ターミナル、インシュレータ、エンドプレートを配置してスタックを構成し、スタックをセル積層方向に締め付けてセル積層体の外側でセル積層方向に延びる締結部材（たとえば、テンションプレート）にて固定したものからなる。
固体高分子電解質型燃料電池では、アノード側では、水素を水素イオンと電子にする反応が行われ、水素イオンは電解質膜中をカソード側に移動し、カソード側では酸素と水素イオンおよび電子（隣りのＭＥＡのアノードで生成した電子がセパレータを通してくる）から水を生成する反応が行われる。
アノード側：Ｈ₂→２Ｈ⁺＋２ｅ^-
カソード側：２Ｈ⁺＋２ｅ^-＋（１／２）Ｏ₂→Ｈ₂Ｏ
燃料電池で発生するジュール熱およびカソードでの水生成反応で出る熱を冷却するために、セパレータ間には、各セル毎にあるいは複数個のセル毎に、冷媒（通常は冷却水）が流れる冷媒流路が形成されており、そこに冷媒が流されて燃料電池を冷却している。
通常は、反応ガス流路の横断面形状は矩形状であるが、スタック締結時またはスタック締結後の燃料電池運転時に、反応ガス流路の溝の横断面のコーナ部からカーボンセパレータに亀裂が入ってセパレータが割れ、反応ガスのもれが生じることがある。それを防止するために、特開平６−９６７８１号公報は、セパレータの反応ガス流路の横断面形状を、溝底面で一律に同じ曲率の円弧状に形成して溝断面のコーナ部の応力集中を緩和し、セパレータの割れを抑制した燃料電池を開示している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、セパレータには、接触する相手（隣接セパレータ、ＭＥＡ、等）の固さ、スタック締結荷重、運転時の熱膨張、等によって面圧が大きい領域と低い領域とがあり、反応ガス流路の断面形状を、ガス流れ方向に一律に同じ曲率の円弧状底壁をもつ形状に形成すると、円弧形状によりセパレータの割れが抑制できても、円弧形状により流路断面積が減少して反応ガス流れ抵抗が増加してしまい、割れ防止とガス流れの両方にとって最適化になっているとはいえない。
本発明の目的は、セパレータの割れを防止でき、かつ反応ガスの流れ抵抗の増加も抑制できる、燃料電池を提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明はつぎの通りである。
（１）流体流路が形成されたセパレータを有し、流体流れ方向における前記流体流路の少なくとも一部で、流体流路の溝底面と該溝底面の両側の溝側面のうち少なくとも一方の溝側面とが湾曲面または斜面からなる連結面で連結されている燃料電池であって、セパレータ面圧に応じて前記流体流路の前記連結面のサイズを変え、セパレータ面圧が大の領域だけ他の領域より連結面のサイズを大とした燃料電池。
（２）前記セパレータはカーボンを主成分とする材料から構成されている（１）記載の燃料電池。
（３）セパレータ面内で最も外側に位置する流体流路部分で他の流体流路部分より前記連結面のサイズを大きくした（１）記載の燃料電池。
【０００５】
上記（１）の燃料電池では、セパレータ面圧に応じて、湾曲面または斜面からなる連結面のサイズを変え、セパレータ面圧が大の領域だけ他の領域より連結面のサイズを大としたので、セパレータ面圧が大の領域で流体流路の溝からセパレータに亀裂が発生することを抑制できるとともに、他の領域では流体流路断面形状を従来通り（連結面のサイズを大としないか連結面を設けない形状）とすることにより、連結面のサイズを大とすることによる流体流路の断面積の減少とそれにより反応ガスの流れ抵抗が増加することを防止することができる。
上記（２）の燃料電池では、セパレータがカーボンセパレータからなる場合に、特に、流体流路の溝のコーナ部からのセパレータの亀裂発生が問題になるが、セパレータを上記（１）のように構成することによって、効果的にセパレータの割れを抑制できる。
上記（３）の燃料電池では、セパレータ面内で最も外側に位置する流体流路部分で他の流体流路部分より連結面のサイズを大きくしたので、従来、セパレータの割れが発生していた、最も外側に位置する流体流路部分からの割れを防止することができる。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の燃料電池を図１〜図５を参照して、説明する。
本発明の燃料電池用セパレータが組み付けられる燃料電池は固体高分子電解質型燃料電池１０である。固体高分子電解質型燃料電池１０は、たとえば燃料電池自動車に搭載される。ただし、自動車以外に用いられてもよい。
【０００７】
固体高分子電解質型燃料電池１０は、図４、図５に示すように、イオン交換膜からなる電解質膜１１とこの電解質膜１１の一面に配置された触媒層１２および拡散層１３からなる電極１４（アノード、燃料極）および電解質膜１１の他面に配置された触媒層１５および拡散層１６からなる電極１７（カソード、空気極）とからなる膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly ）と、電極１４、１７に燃料ガス（水素）および酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給するための反応ガス流路２７、２８（燃料ガス流路２７および酸化ガス流路２８）および燃料電池冷却用の冷媒（通常は冷却水）が流れる冷媒流路２６の少なくとも一つが形成されたセパレータ１８とを重ねてセル（単電池２９）を形成し、該セルを少なくとも１層積層してモジュール１９とし、モジュール１９を積層してセル積層体を構成し、セル積層体のセル積層方向両端に、ターミナル２０、インシュレータ２１、エンドプレート２２を配置してスタック２３を構成し、スタック２３をセル積層方向に締め付けセル積層体の外側でセル積層方向に延びる締結部材２４（たとえば、テンションプレート）とボルト２５で固定したものからなる。
【０００８】
冷媒流路２６は、セル毎に、または複数のセル毎（たとえば、モジュール毎）に、設けられる。たとえば、図５では、２つのセルが１モジュールを形成し、モジュール毎に１つの冷媒流路２６が設けられている。
セパレータ１８は、冷媒流路２６を有するセパレータ１８Ａと、冷媒流路２６を有さないセパレータ１８Ｂを含む。ただし、全セパレータ１８に冷媒流路２６を設ける場合はセパレータ１８Ｂはない。セパレータ１８Ｂは、燃料ガスと酸化ガスを区画する。セパレータ１８Ａは、燃料ガスと酸化ガスを区画するとともに、冷却水と、燃料ガスおよび酸化ガスを区画する。
セパレータ１８は、また、隣り合うセルのアノードからカソードに電子が流れる電気の通路をも形成している。
【０００９】
セパレータ１８は、カーボン板（カーボン粒子（粉末でもよい）を樹脂バインダで固めて成形したもの）に、または導電性粒子（たとえば、カーボン粒子）を混入して導電性をもたせた樹脂板に、冷媒流路２６および／または反応ガス流路２７、２８を形成したものからなり、一体成形により形成されている。
反応ガス流路２７、２８（燃料ガス流路２７および酸化ガス流路２８）および冷媒流路２６は、流体流路を構成する。
流体流路、たとえば反応ガス流路２７、２８および冷媒流路２６の、少なくとも一部は、通常、セパレータ１８に形成された溝からなっていてもよい。流体流路、たとえば反応ガス流路２７、２８および冷媒流路２６の、溝からなる部分は、セパレータ面と平行に延びる少なくとも一つの溝、たとえば、互いに並列な複数の溝、からなっていてもよい。
流体流路が並列な複数の溝からなる溝群である場合、流体流路群は、セパレータ面内で屈曲して（たとえば、蛇行して）延びてもよい。その場合、屈曲部は、溝に代えて、セパレータに形成した多数の突起によって該セパレータと突起の先端面が接触する相手部材との間に形成された隙間からなっていてもよい。そうすることによって、流体流路群の並列な溝の本数を屈曲部の前後で容易に変えることができる。
【００１０】
図２、図３に示すように、流体流路２７、２８、２６の少なくとも１種の流路の、流体（燃料ガス、酸化ガス、冷媒）流れ方向に沿って見た、少なくとも一部は、流体流路の溝底面３０と溝底面３０の両側の溝側面３１、３２のうち少なくとも一方の溝側面３１とが、湾曲面３３Ａ（図２）または斜面３３Ｂ（図３）からなる連結面３３で連結された横断面（溝横断面）を有している。湾曲面３３Ａは、たとえば、円弧面または楕円面からなる。連結面３３はセパレータ成形時に型にて成形される
流体流路２７、２８、２６の溝の連結面３３のサイズは、零（連結面無しで溝底面と溝側面とが角を介して連結している場合）からフルサイズ（湾曲面３３Ａが円弧である場合に円弧の半径が溝深さに等しい場合、斜面３３Ｂの溝深さ方向の高さが溝の深さに等しい場合）までの範囲で変えてよい。
そして、流体流路２７、２８、２６の溝の連結面３３のサイズ（連結面が円弧である場合は円弧の半径、連結面が斜面である場合は斜面の溝深さ方向の高さ）は、セパレータ面圧に応じて変えられている。セパレータ面圧が大の部分では連結面３３のサイズは大（ほぼフルサイズ）とされ、セパレータ面圧が小の部分では連結面３３のサイズは小かまたは零（連結面無し）とされている。
【００１１】
セパレータ面圧は、セパレータ面にかかる圧力であり、スタック締結力、燃料電池運転時の熱膨張・収縮、流体圧力などによって変化し、かつ、セパレータ面が接触する相手物の面によって変わる。たとえば、セパレータ面の最外周に位置する流体流路部分３４（流体流路群が蛇行している場合、１本の流体流路であっても、ある部分ではセパレータ面の最外周に位置し、それ以外の部分ではセパレータ面の最外周に位置しない場合が生じるが、１本の流体流路であっても、そのうちのセパレータ面の最外周に位置する部分）およびその直近部位では、セパレータは隣接するセパレータに圧接されるので、セパレータ面圧は大であり、それより内側の流体流路部分ではセパレータはセパレータに比べて柔らかく緩衝性のあるＭＥＡに圧接されるので、セパレータ面圧は外周部に比べて小である。
したがって、流体流路２７、２８、２６の溝の連結面３３のサイズは、セパレータ面の最外周に位置する流体流路部分３４において、大とされ、それより内側の流体流路部分において、小（最外周に位置する流体流路の連結面３３に比べて小）かまたは零（連結面無し）とされている。
【００１２】
セパレータ面の最外周に位置する流体流路部分３４において、流体流路２７、２８、２６の溝に連結面３３が設けられる場合は、連結面３３は、底壁面３０と外側の側壁面３１との間に設けられる。ただし、連結面３３が、底壁面３０と外側の側壁面３１との間に設けられる他、底壁面３０と内側の側壁面３２との間にも設けられてもよい。
流体流路２７、２８、２６の流路断面積が連結面３３を設けることによって減少する場合は、減少したままにしてもよいし、あるいは流路幅を拡げて流路断面積が縮小しないようにしてもよい。
連結面３３が設けられるのは、とくに反応ガス流路２７、２８に対してであり、冷媒流路２６に対しては連結面３３は設けられなくてもよい（ただし、設けてもよい）。冷媒流路２６に連結面３３が無くてもよい理由は、冷媒流路２６が設けられるセパレータ面には柔らかいＭＥＡがない（外周部に荷重が集中しない）ためである。ただし、シールや接着材などの存在によっては、冷媒流路２６に連結面３３を設ける方が有利な場合もある。
【００１３】
つぎに、本発明の燃料電池の作用を説明する。
まず、本発明の燃料電池では、セパレータ面圧に応じて、湾曲面３３Ａまたは斜面３３Ｂからなる連結面３３のサイズを変えたので、セパレータ面圧が大の領域だけ他の領域より連結面３３のサイズを大とすることにより、セパレータ面圧が大の領域で流体流路２７、２８、２６の溝からセパレータ１８に亀裂が発生することを抑制できる。また、他の領域では流体流路断面形状を従来通り（連結面３３のサイズを大としないか連結面３３を設けない形状）とすることにより、連結面のサイズを大とすることによる流体流路１８の流路断面積の減少とそれにより反応ガスの流れ抵抗が増加することを防止することができる。
これによって、セパレータ１８の割れ防止からも、流体流路の流れ抵抗減少からも、流体流路２７、２８、２６を最適化することができる。
連結面３３のサイズを大とすると、流体流路の溝断面のコーナ部が無くなって、コーナ部に応力が集中することがなくなり、かつコーナ部の厚さが厚くなって強度が上がるため、割れが発生しなくなる。
【００１４】
セパレータ１８がカーボンセパレータからなる場合、従来は、流体流路の溝の外側コーナ部からセパレータに亀裂が発生することがあったが、流体流路２７、２８、２６を上記のように構成することによって、カーボンセパレータであっても流体流路２７、２８、２６からの割れを無くすことができる。
また、セパレータ面内で最も外側に位置する流体流路部分で他の流体流路部分より連結面３３のサイズを大きくしたので、従来、セパレータの割れが発生していた、最も外側に位置する流体流路部分からの割れを防止することができる。
【００１５】
【発明の効果】
請求項１の燃料電池によれば、セパレータ面圧に応じて、連結面のサイズを変え、セパレータ面圧が大の領域だけ他の領域より連結面のサイズを大としたので、流体流路の溝からセパレータに亀裂が発生することを抑制できるとともに、他の領域で流体流路断面形状を従来通りとすることにより、反応ガスの流れ抵抗が増加することを防止することができる。
請求項２の燃料電池によれば、セパレータがカーボンセパレータからなる場合に、効果的にセパレータの割れを抑制できる。
請求項３の燃料電池によれば、セパレータ面内で最も外側に位置する流体流路部分で連結面のサイズを大きくしたので、従来、セパレータの割れが発生していた、最も外側に位置する流体流路部分からの割れを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明実施例の燃料電池のセパレータの正面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ線に沿う、連結面が円弧の場合の、断面図である。
【図３】図１のＡ−Ａ線に沿う、連結面が斜面の場合の、断面図である。
【図４】本発明実施例の燃料電池の正面図である。
【図５】本発明実施例の燃料電池の一部の断面図である。
【符号の説明】
１０（固体高分子電解質型）燃料電池
１１電解質膜
１２触媒層
１３拡散層
１４電極（アノード、燃料極）
１５触媒層
１６拡散層
１７電極（カソード、空気極）
１８セパレータ
１８Ａ冷媒流路を有するセパレータ
１８Ｂ冷媒流路を有さないセパレータ
１９モジュール
２０ターミナル
２１インシュレータ
２２エンドプレート
２３スタック
２４テンションプレート
２５ボルト
２６冷媒流路
２７燃料ガス流路（反応ガス流路）
２８酸化ガス流路（反応ガス流路）
２９単電池
３０溝底面
３１溝側面（外側）
３２溝側面（内側）
３３連結面
３３Ａ湾曲面
３３Ｂ斜面
３４最外周の流体流路部分[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel cell, and more particularly to a structure for preventing cracking of a separator of a solid polymer electrolyte fuel cell.
[0002]
[Prior art]
The solid polymer electrolyte fuel cell is arranged on the other side of the electrolyte membrane, which is an electrolyte membrane made of an ion exchange membrane, an electrode (anode, fuel electrode) made of a catalyst layer and a diffusion layer arranged on one side of the electrolyte membrane, and the electrolyte membrane. Membrane-Electrode Assembly (MEA) consisting of an electrode (cathode, air electrode) consisting of a catalyst layer and a diffusion layer, and fuel gas (hydrogen) and oxidizing gas (oxygen, usually air) at the anode and cathode A cell is formed from a separator that forms a reaction gas flow path for supplying a gas, a plurality of cells are stacked to form a module, a module is stacked to form a module group, and at both ends of the module group in the cell stacking direction, A stack is formed by arranging terminals, insulators, and end plates, and the stack is clamped in the cell stacking direction to stack the cells outside the cell stack. It consists of what was fixed with the fastening member (for example, tension plate) extended in a direction.
In a solid polymer electrolyte fuel cell, a reaction for converting hydrogen into hydrogen ions and electrons is performed on the anode side, and the hydrogen ions move through the electrolyte membrane to the cathode side, and oxygen, hydrogen ions, and electrons (adjacent to the cathode side). The electrons produced at the MEA anodes come through the separator) to produce water.
Anode side: H ₂ → 2H ⁺ + 2e ⁻
Cathode side: 2H ⁺ + 2e ⁻ + (1/2) O ₂ → H ₂ O
In order to cool the Joule heat generated in the fuel cell and the heat generated by the water generation reaction at the cathode, a refrigerant (usually cooling water) flows between the separators for each cell or for each of a plurality of cells. A flow path is formed, and a refrigerant is flowed there to cool the fuel cell.
Normally, the cross-sectional shape of the reaction gas channel is rectangular, but the carbon separator cracks from the corner of the groove of the reaction gas channel when the stack is fastened or when the fuel cell is operated after the stack is fastened. As a result, the separator may crack and the reaction gas may leak. In order to prevent this, Japanese Patent Laid-Open No. 6-96781 discloses a stress concentration at the corners of the groove cross section by forming the cross-sectional shape of the reaction gas flow path of the separator into a circular arc shape having the same curvature at the groove bottom surface. The fuel cell which relaxed and suppressed the crack of the separator is disclosed.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
However, the separator has a region having a large surface pressure and a region having a low surface pressure due to the hardness of the contact partner (adjacent separator, MEA, etc.), stack fastening load, thermal expansion during operation, etc. If the cross-sectional shape is formed into a shape having an arc-shaped bottom wall with the same curvature in the gas flow direction, even if the arc shape can suppress the cracking of the separator, the arc shape reduces the cross-sectional area of the flow path and the reaction gas flow Resistance increases and is not optimized for both crack prevention and gas flow.
An object of the present invention is to provide a fuel cell that can prevent the cracking of the separator and can suppress an increase in the flow resistance of the reaction gas.
[0004]
[Means for Solving the Problems]
The present invention for achieving the above object is as follows.
(1) It has a separator in which a fluid channel is formed, and is at least one of the groove bottom surface of the fluid channel and both sides of the groove bottom surface in at least a part of the fluid channel in the fluid flow direction. A fuel cell in which the side surface is connected by a connecting surface formed of a curved surface or an inclined surface, the size of the connecting surface of the fluid flow path is changed according to the separator surface pressure, and only the region where the separator surface pressure is large A fuel cell with a connecting surface larger than that of the area .
(2) The fuel cell according to (1), wherein the separator is made of a material mainly composed of carbon.
(3) The fuel cell according to (1), wherein the size of the connection surface is made larger in the fluid flow path portion located on the outermost side in the separator surface than in other fluid flow path portions.
[0005]
In the fuel cell of the above (1), depending on the separator surface pressure, e varying the size of the coupling surface made of a curved surface or inclined surface, and the size of the connecting surface than the other areas only the area separator surface pressure is large and a large Therefore, it is possible to suppress the occurrence of cracks in the separator from the groove of the fluid channel in the region where the separator surface pressure is large, and in the other regions, the fluid channel cross-sectional shape is the same as before (the size of the connection surface should be increased). By adopting a shape in which the connecting surface is not provided, it is possible to prevent the cross-sectional area of the fluid flow path from being reduced by increasing the size of the connecting surface and thereby increasing the flow resistance of the reaction gas.
In the fuel cell of the above (2), when the separator is made of a carbon separator, cracking of the separator from the corner portion of the groove of the fluid flow path becomes a problem, but the separator is configured as in the above (1). By doing, the crack of a separator can be suppressed effectively.
In the fuel cell of the above (3), since the size of the connection surface is larger than the other fluid flow path portion in the fluid flow path portion located on the outermost side in the separator surface, conventionally, the separator has been cracked. It is possible to prevent cracking from the fluid channel portion located on the outermost side.
[0006]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Below, the fuel cell of this invention is demonstrated with reference to FIGS.
The fuel cell to which the fuel cell separator of the present invention is assembled is a solid polymer electrolyte fuel cell 10. The solid polymer electrolyte fuel cell 10 is mounted on, for example, a fuel cell vehicle. However, it may be used other than an automobile.
[0007]
As shown in FIGS. 4 and 5, the solid polymer electrolyte fuel cell 10 includes an electrolyte membrane 11 made of an ion exchange membrane, and an electrode 14 made up of a catalyst layer 12 and a diffusion layer 13 disposed on one surface of the electrolyte membrane 11. (Anode, fuel electrode) and a membrane-electrode assembly (MEA) comprising an electrode 17 (cathode, air electrode) comprising a catalyst layer 15 and a diffusion layer 16 disposed on the other surface of the electrolyte membrane 11; Reaction gas channels 27 and 28 (fuel gas channel 27 and oxidant gas channel 28) and fuel cell cooling for supplying fuel gas (hydrogen) and oxidizing gas (oxygen, usually air) to electrodes 14 and 17 A cell (unit cell 29) is formed by overlapping the separator 18 in which at least one of the refrigerant flow paths 26 through which the refrigerant (usually cooling water) flows is formed, and at least one layer of the cells is laminated. The module 19 is stacked to form a cell stack, and the stack 23 is formed by disposing the terminal 20, the insulator 21, and the end plate 22 at both ends of the cell stack in the cell stacking direction. It consists of a fastening member 24 (for example, a tension plate) extending in the cell stacking direction outside the cell stack and fixed with bolts 25 in the cell stacking direction.
[0008]
The refrigerant flow path 26 is provided for each cell or for each of a plurality of cells (for example, for each module). For example, in FIG. 5, two cells form one module, and one refrigerant channel 26 is provided for each module.
The separator 18 includes a separator 18A having a refrigerant flow path 26 and a separator 18B having no refrigerant flow path 26. However, when the refrigerant flow paths 26 are provided in all the separators 18, there is no separator 18B. Separator 18B partitions fuel gas and oxidizing gas. The separator 18A partitions the fuel gas and the oxidizing gas, and partitions the cooling water, the fuel gas, and the oxidizing gas.
The separator 18 also forms an electrical path through which electrons flow from the anode of the adjacent cell to the cathode.
[0009]
The separator 18 is a refrigerant on a carbon plate (a carbon plate (which may be powder) solidified with a resin binder and molded) or a resin plate mixed with conductive particles (for example, carbon particles) to have conductivity. The channel 26 and / or the reaction gas channels 27 and 28 are formed, and are formed by integral molding.
The reaction gas channels 27 and 28 (the fuel gas channel 27 and the oxidizing gas channel 28) and the refrigerant channel 26 constitute a fluid channel.
At least a part of the fluid flow paths, for example, the reaction gas flow paths 27 and 28 and the refrigerant flow path 26, may usually be formed by grooves formed in the separator 18. The fluid channel, for example, the reaction gas channels 27 and 28 and the refrigerant channel 26 may include at least one groove extending in parallel with the separator surface, for example, a plurality of grooves parallel to each other. Good.
When the fluid flow path is a groove group including a plurality of grooves arranged in parallel, the fluid flow path group may be bent (for example, meandering) and extend in the separator surface. In that case, instead of the groove, the bent portion may be formed of a gap formed between the separator and the mating member with which the tip end surface of the protrusion comes into contact by a large number of protrusions formed on the separator. By doing so, the number of parallel grooves of the fluid flow path group can be easily changed before and after the bent portion.
[0010]
As shown in FIGS. 2 and 3, at least a part of at least one of the fluid channels 27, 28, and 26 as viewed along the fluid (fuel gas, oxidant gas, refrigerant) flow direction, The groove bottom surface 30 of the fluid flow path and at least one groove side surface 31 among the groove side surfaces 31 and 32 on both sides of the groove bottom surface 30 are connecting surfaces 33 formed of a curved surface 33A (FIG. 2) or an inclined surface 33B (FIG. 3). It has a linked cross section (groove cross section). The curved surface 33A is, for example, an arc surface or an ellipsoid surface. The size of the connecting surface 33 of the grooves of the fluid flow paths 27, 28, and 26 formed by the mold when the separator is formed is zero (the bottom surface of the groove and the side surface of the groove are connected via a corner without a connecting surface). To the full size (when the radius of the arc is equal to the groove depth when the curved surface 33A is an arc, and the height in the groove depth direction of the inclined surface 33B is equal to the groove depth). You can change it.
The size of the connecting surface 33 of the grooves of the fluid flow paths 27, 28, 26 (the radius of the arc when the connecting surface is an arc, the height of the inclined surface in the groove depth direction when the connecting surface is an inclined surface) is The separator surface pressure is changed. In the portion where the separator surface pressure is large, the size of the connecting surface 33 is large (almost full size), and in the portion where the separator surface pressure is small, the size of the connecting surface 33 is small or zero (no connecting surface). .
[0011]
The separator surface pressure is a pressure applied to the separator surface, and varies depending on a stack fastening force, thermal expansion / contraction during operation of the fuel cell, fluid pressure, and the like, and also varies depending on the surface of the counterpart with which the separator surface contacts. For example, the fluid flow path portion 34 located on the outermost periphery of the separator surface (if the fluid flow path group meanders, even if only one fluid flow path is located at the outermost periphery of the separator surface in a certain part, The other part may not be located on the outermost periphery of the separator surface, but even in the case of one fluid flow path, the part adjacent to the outermost part of the separator surface) and its nearest part are adjacent to each other. Since the separator surface pressure is large and the separator is pressed against the softer and buffering MEA than the separator in the inner fluid flow path portion, the separator surface pressure is applied to the outer peripheral portion. It is small compared.
Therefore, the size of the connecting surface 33 of the grooves of the fluid flow paths 27, 28, and 26 is made large in the fluid flow path portion 34 located on the outermost periphery of the separator surface, and small in the fluid flow path portion inside it. It is (smaller than the connection surface 33 of the fluid flow channel located on the outermost periphery) or zero (no connection surface).
[0012]
In the fluid flow path portion 34 located on the outermost periphery of the separator surface, when the connection surface 33 is provided in the grooves of the fluid flow paths 27, 28, 26, the connection surface 33 includes the bottom wall surface 30 and the outer side wall surface 31. Between. However, the connecting surface 33 may be provided between the bottom wall surface 30 and the inner side wall surface 32 in addition to being provided between the bottom wall surface 30 and the outer side wall surface 31.
When the cross-sectional area of the fluid flow paths 27, 28, and 26 is reduced by providing the connection surface 33, the flow-path cross-sectional area may be kept decreased or the flow-path width may be increased to prevent the flow-path cross-sectional area from being reduced. It may be.
The connection surface 33 is provided particularly for the reaction gas channels 27 and 28, and the connection surface 33 may not be provided for the coolant channel 26 (although it may be provided). The reason why the refrigerant flow path 26 may not have the connection surface 33 is that there is no soft MEA on the separator surface on which the refrigerant flow path 26 is provided (the load is not concentrated on the outer peripheral portion). However, depending on the presence of a seal, an adhesive, or the like, it may be advantageous to provide the connecting surface 33 in the coolant channel 26.
[0013]
Next, the operation of the fuel cell of the present invention will be described.
First, in the fuel cell according to the present invention, the size of the connecting surface 33 including the curved surface 33A or the inclined surface 33B is changed according to the separator surface pressure. By making the size large, it is possible to suppress the occurrence of cracks in the separator 18 from the grooves of the fluid flow paths 27, 28, and 26 in a region where the separator surface pressure is large. In other regions, the fluid flow cross-sectional shape is the same as in the past (the size of the connecting surface 33 is not increased or the connecting surface 33 is not provided). It is possible to prevent the flow path cross-sectional area of the path 18 from decreasing and thereby the reaction gas flow resistance from increasing.
As a result, the fluid flow paths 27, 28, and 26 can be optimized both from preventing the separator 18 from cracking and from reducing the flow resistance of the fluid flow path.
When the size of the connecting surface 33 is increased, the corner portion of the groove section of the fluid flow path is eliminated, stress is not concentrated on the corner portion, and the corner portion is thickened and the strength is increased. Will not occur.
[0014]
In the case where the separator 18 is made of a carbon separator, conventionally, the separator may crack from the outer corner of the groove of the fluid flow path, but the fluid flow paths 27, 28, and 26 are configured as described above. Therefore, even if it is a carbon separator, the crack from the fluid flow paths 27, 28, and 26 can be eliminated.
Further, since the size of the connecting surface 33 is larger in the fluid flow path portion located on the outermost side in the separator surface than in the other fluid flow path portions, conventionally, the fluid located on the outermost side in which the separator has been cracked. Cracks from the channel portion can be prevented.
[0015]
【The invention's effect】
According to the fuel cell according to claim 1, depending on the separator surface pressure, e varying the size of the coupling surfaces, since the large size of the connection surface than other regions by regions separator surface pressure is large, the fluid flow path It is possible to suppress the occurrence of cracks in the separator from the groove, and it is possible to prevent the flow resistance of the reaction gas from increasing by making the cross-sectional shape of the fluid flow path as usual in other regions.
According to the fuel cell of Claim 2, when a separator consists of a carbon separator, the crack of a separator can be suppressed effectively.
According to the fuel cell of claim 3, since the size of the connection surface is increased in the fluid flow path portion located on the outermost side in the separator surface, the fluid located on the outermost side in the past, where the separator has been cracked. Cracks from the channel portion can be prevented.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a front view of a separator of a fuel cell according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the line AA in FIG. 1 when the connecting surface is an arc.
FIG. 3 is a cross-sectional view taken along the line AA in FIG. 1 when the connecting surface is an inclined surface.
FIG. 4 is a front view of a fuel cell according to an embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a partial cross-sectional view of a fuel cell according to an embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
10 (solid polymer electrolyte type) fuel cell 11 electrolyte membrane 12 catalyst layer 13 diffusion layer 14 electrode (anode, fuel electrode)
15 Catalyst layer 16 Diffusion layer 17 Electrode (cathode, air electrode)
18 Separator 18A Separator 18B with refrigerant flow path Separator without refrigerant flow path 19 Module 20 Terminal 21 Insulator 22 End plate 23 Stack 24 Tension plate 25 Bolt 26 Refrigerant flow path 27 Fuel gas flow path (reactive gas flow path)
28 Oxidizing gas channel (reactive gas channel)
29 cell 30 groove bottom surface 31 groove side surface (outside)
32 groove side (inside)
33 connecting surface 33A curved surface 33B slope 34 outermost fluid flow path portion

Claims

A separator having a fluid channel formed therein, and at least a part of the fluid channel in the fluid flow direction, and a groove bottom surface of the fluid channel and at least one groove side surface of both sides of the groove bottom surface A fuel cell connected by a connecting surface formed of a curved surface or an inclined surface, wherein the size of the connecting surface of the fluid flow path is changed according to the separator surface pressure, and only a region where the separator surface pressure is large is greater than other regions. A fuel cell with a large connecting surface .

The fuel cell according to claim 1, wherein the separator is made of a material mainly composed of carbon.

2. The fuel cell according to claim 1, wherein the size of the connecting surface is larger in the fluid flow channel portion located on the outermost side in the separator surface than in other fluid flow channel portions.