JP5023647B2 - Fuel cell separator - Google Patents
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Description
本発明は、燃料電池に係わり、特に多孔質体にてガス流路が形成されたセパレータに関する。 The present invention relates to a fuel cell, and more particularly to a separator having a gas flow path formed of a porous material.
固体高分子形燃料電池は、固体高分子電解質膜とその両側を燃料極(以下アノードとする)触媒層と酸化剤極(以下カソードとする)触媒層とで被覆した電解質膜・電極触媒複合体の両側を多孔質のカーボン材からなるガス拡散層で挟む。さらにその両側に燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給するためのセパレータを配置して構成する単位セルを複数個設置して積層体を形成し、この積層体の両端を締付板により締め付けて燃料電池セルスタックを構成する。この燃料電池セルスタックを電解質膜・電極触媒複合体の面内方向が水平方向に対して垂直となるように積層設置する。 The polymer electrolyte fuel cell is an electrolyte membrane / electrode catalyst composite in which a solid polymer electrolyte membrane and both sides thereof are coated with a fuel electrode (hereinafter referred to as an anode) catalyst layer and an oxidant electrode (hereinafter referred to as a cathode) catalyst layer. Are sandwiched between gas diffusion layers made of a porous carbon material. Further, a plurality of unit cells each having a separator for supplying fuel gas and oxidant gas are arranged on both sides to form a laminated body, and both ends of the laminated body are clamped by a clamping plate to form a fuel cell. Configure the cell stack. This fuel cell stack is stacked and installed such that the in-plane direction of the electrolyte membrane / electrode catalyst composite is perpendicular to the horizontal direction.
従来のセパレータは、その片面に燃料ガス又は酸化剤ガスの流路溝を、もう片方の面に冷却水流路溝を備えた波型形状をしている。このセパレータを用いた燃料電池の場合、アノード側では燃料ガス流路の凸面が、カソード側では酸化剤ガス流路の凸面がガス拡散層に接する。この接触部分において、反応で生じた電子の授受を行い、電気化学反応により生じた熱を冷却水へ伝える。また、燃料ガス又は酸化剤ガスは凹部を流れ、ガス拡散層を介して触媒電極へ供給される。冷却水は隣接する2つのセパレータの冷却水流路側凸面同士が接することにより対向する凹部によって形成されている。 A conventional separator has a corrugated shape having a flow path groove for fuel gas or oxidant gas on one side and a cooling water flow path groove on the other side. In the fuel cell using this separator, the convex surface of the fuel gas channel is in contact with the gas diffusion layer on the anode side, and the convex surface of the oxidant gas channel is in contact with the cathode side. At this contact portion, the electrons generated by the reaction are transferred, and the heat generated by the electrochemical reaction is transferred to the cooling water. Further, the fuel gas or oxidant gas flows through the recess and is supplied to the catalyst electrode via the gas diffusion layer. The cooling water is formed by concave portions facing each other when the convex surfaces on the cooling water flow path side of two adjacent separators are in contact with each other.
固体高分子形燃料電池では、セパレータ流路を流れる燃料ガス中の水素がガス拡散層内を拡散し、アノードに至ると触媒反応により電子を放出してプロトンになる。プロトンはアノード側からカソード側に固体高分子電解質膜を経て移動するが、電子はアノード側からカソード側に移動することができないため、導電性のガス拡散層とセパレータを介して外部回路を経由してカソード側に移動する。 In the polymer electrolyte fuel cell, hydrogen in the fuel gas flowing through the separator channel diffuses in the gas diffusion layer, and when it reaches the anode, it emits electrons by a catalytic reaction to become protons. Proton moves from the anode side to the cathode side through the solid polymer electrolyte membrane, but electrons cannot move from the anode side to the cathode side, so it passes through an external circuit via a conductive gas diffusion layer and a separator. Move to the cathode side.
一方、カソード側では、前記の固体高分子電解質膜を経て移動したプロトンと外部回路から送られてくる電子と、セパレータ流路を流れ、ガス拡散層内を拡散してきた酸化剤ガス(空気)中の酸素とが反応して水を生成する。その生成水の大部分は未反応ガス中に蒸発し、そのままセルスタック外に排出されるが、過飽和となる状態では液相の水として残留する。電気化学反応により生じた液相の水がガス拡散層から滲み出してきた場合、反応ガス流路内に滞留し、反応ガスの拡散を妨げることが考えられる。特開2005−142015号公報では、多孔質体によってセパレータを構成し、ガス拡散層から滲み出してきた水を効果的に移動させ、反応ガス流路の閉塞を防止している。 On the other hand, on the cathode side, protons moved through the solid polymer electrolyte membrane, electrons sent from an external circuit, and the oxidant gas (air) flowing through the separator channel and diffusing in the gas diffusion layer. Reacts with oxygen to produce water. Most of the generated water evaporates in the unreacted gas and is directly discharged out of the cell stack, but remains as liquid phase water in a supersaturated state. When liquid phase water generated by the electrochemical reaction oozes out from the gas diffusion layer, it is conceivable that the liquid phase water stays in the reaction gas flow path and hinders diffusion of the reaction gas. In Japanese Patent Application Laid-Open No. 2005-142015, a separator is constituted by a porous body, and water that has oozed out of the gas diffusion layer is effectively moved to prevent the reaction gas passage from being blocked.
また、特開2005−123122号公報ではガス流路部を陽極化成法により多孔質シリコン層と非多孔質層を水平方向に交互に形成させ、更にガス拡散層の成形を吐出装置を用いて行う際に、多孔質シリコンの配置に合わせて、炭素系微粒子の粒径を変えて成形することにより反応層のどの場所においても一定量のガスを均一に供給できるとしている。 Japanese Patent Laid-Open No. 2005-123122 discloses that a gas flow path portion is formed by alternately forming a porous silicon layer and a non-porous layer in the horizontal direction by anodizing, and further forming a gas diffusion layer by using a discharge device. At this time, according to the arrangement of the porous silicon, by changing the particle size of the carbon-based fine particles and shaping, a certain amount of gas can be uniformly supplied at any location in the reaction layer.
背景技術に見られるように、水管理特に生成水の効率的な除去や加湿に多孔質を用い、流れ方向に気孔率を変えたり、また、反応ガス流路は全面多孔質ではなく、多孔質流路を隔壁で仕切って流路を構成している例が多い。 As seen in the background art, porous is used for water management, especially for efficient removal and humidification of generated water, and the porosity is changed in the flow direction. There are many examples in which the flow path is configured by partitioning the flow path with partition walls.
このように多孔質材を用いた流路構造により多孔質の特性を生かして発電による生成水の吸引制御による膜の乾燥やフラッディング防止、また反応ガスを均一に供給することで性能的なメリットが得られるが、平面的な多孔質構造のため、厚み方向における水や反応ガスの分布に関しての配慮がなされておらず、特にカソード下流側における流路内のフラッディングや反応層近傍での反応ガス濃度低下あるいは圧損増加などの課題が残されていた。 In this way, the flow path structure using the porous material makes use of the porous characteristics to prevent drying and flooding of the membrane by controlling the suction of generated water by power generation, and there is a performance advantage by uniformly supplying the reaction gas. However, due to the flat porous structure, no consideration has been given to the distribution of water and reaction gas in the thickness direction, especially flooding in the channel on the downstream side of the cathode and reaction gas concentration in the vicinity of the reaction layer. Issues such as a decrease or an increase in pressure loss remained.
本発明は反応ガスの反応界面への均一分散による高性能でしかもフラッディングや膜乾燥を防止し、低圧損な燃料電池を提供する。 The present invention provides a high-performance fuel cell with high performance due to uniform dispersion of reaction gas at the reaction interface and preventing flooding and membrane drying, and low pressure loss.
本発明の燃料電池は、多孔質体により構成されたガス流路の厚み方向に分離した上下2段の多孔質層に反応ガスを供給し、流れの途中で上下方向にガスが入れ変わるように多孔質流路に構造的な工夫を行うものである。すなわち上下に多孔質流路を分離するために第一の緻密層を流れ方向に沿って面内全面に設け、途中でガスの上下方向を逆転するために分離された上下多孔質層それぞれに流れをさえぎるための第二,第三の緻密層をセパレータ全幅にわたってそれぞれ設け、さえぎられたガスは第二,第三の緻密層近傍において第一の緻密層に設けられた開口部を通して上から下へ、あるいは下から上へ移動できるようにしたことを特徴とし、多孔質流路の内部に緻密なあるいは空隙の多い粗い層を形成することにより上記機能を持たせる。 In the fuel cell of the present invention, the reaction gas is supplied to the upper and lower porous layers separated in the thickness direction of the gas flow path constituted by the porous body so that the gas is switched in the vertical direction in the middle of the flow. A structural device is provided for the porous flow path. That is, a first dense layer is provided on the entire surface in the flow direction in order to separate the upper and lower porous flow paths, and flows in each of the upper and lower porous layers separated in order to reverse the vertical direction of the gas. The second and third dense layers are provided over the entire width of the separator, and the obstructed gas passes from the top to the bottom through the openings provided in the first dense layer in the vicinity of the second and third dense layers. Alternatively, it can move from the bottom to the top, and the above function is provided by forming a dense or coarse layer with many voids inside the porous channel.
更に上下二段の多孔質流路の気孔率や流路高さを異なる構造にすることにより流路全体の圧力損失を低減する。 Furthermore, the pressure loss of the whole flow path is reduced by making the porosity and flow path height of the two upper and lower porous flow paths different.
本発明によれば、新鮮な反応ガスが電極反応層近くを流れ、逆に反応後の生成ガスや生成水は電極側から離れたところを流れることにより、高濃度で反応ガスの均一分散供給が可能となり反応部近傍での水分量の調整が容易となり、フラッディングや膜の乾燥が防止でき性能が向上する。さらには低圧損化も図れる。また緻密層が支柱の役割を果たすことにより高気孔率でも強度が保たれ変形を防止できる利点も生じる。 According to the present invention, the fresh reaction gas flows near the electrode reaction layer, and the product gas and product water after the reaction flow away from the electrode side, so that the reaction gas can be uniformly distributed and supplied at a high concentration. This makes it possible to easily adjust the amount of water in the vicinity of the reaction section, preventing flooding and drying of the film, and improving the performance. Furthermore, low pressure loss can be achieved. Further, since the dense layer serves as a support, there is an advantage that the strength is maintained even at a high porosity and deformation can be prevented.
電解質膜・電極触媒複合体と、その複合体を挟持し、複合体燃料極の外側に設けられた燃料極用の多孔質体で構成されたガス流路部と、複合体酸化剤極の外側に設けられた酸化剤極用の多孔質体で構成されたガス流路部をそれぞれ形成したセパレータとからなる燃料電池において、できれば両極の多孔質ガス流路部において、第一の緻密層を流れ方向と平行に設けることにより多孔質ガス流路を厚さ方向に上下2段に分離することが好ましい。そして分離された多孔質ガス流路のうち一方の多孔質流路には第二の緻密層を流れ方向に対してせき止める形に一方の辺の端から他方の辺の端まで全幅にわたって設け、また、もう一方の多孔質ガス流路内には上記第二の緻密層位置近傍において上記第二の緻密層を挟んでその上流側と下流側位置にて交互に流れ方向にせき止める形に一方の辺の端から他方の辺の端まで第二の緻密層と同様に全幅にわたって第三の緻密層を設けることが好ましい。 An electrolyte membrane / electrocatalyst composite, a gas flow path section composed of a porous body for a fuel electrode sandwiched between the composite fuel electrode and the outer side of the composite oxidant electrode In a fuel cell comprising separators each formed with a gas flow path portion composed of a porous body for an oxidant electrode provided in the electrode, preferably flows in the first dense layer in the porous gas flow path portions of both electrodes. It is preferable to separate the porous gas flow path in two layers in the thickness direction by providing it in parallel with the direction. And in one of the separated porous gas channels, the second dense layer is provided across the entire width from the end of one side to the end of the other side so as to block the second dense layer in the flow direction. In the other porous gas flow path, one side of the second dense layer is damped in the flow direction alternately at the upstream and downstream positions with the second dense layer sandwiched in the vicinity of the second dense layer position. It is preferable to provide a third dense layer over the entire width in the same manner as the second dense layer from one end to the other end.
そして前記第二の緻密層と前記第三の緻密層によって囲まれた前記第一の緻密層に形成される平面上の閉領域部の一部あるいは全部を開口、あるいは粗い多孔質体で構成し、上記開口部あるいは粗い多孔質部を通してそれぞれ一方の多孔質流路を流れていたガスがここでもう一方の多孔質流路部にガスが移動し、上下が逆転することが好ましく、この逆転は前記第二の緻密層を流れ方向に沿って複数個形成させ、複数回行われることが最も好ましい。このため、第三の緻密層はそれぞれ設けられた第二の緻密層ごとに最上流側の第二の緻密層と下流側の任意の第二の緻密層を挟んで最上流側の第二の緻密層の上流側と任意の第二の緻密層の下流側位置にて交互にせきとめる形をそれぞれの第二の緻密層に対して形成しながら一方の辺の端から他方の辺の端まで全幅にわたって一本でつながった第三の緻密層を設けるとともに、
それぞれの第二の緻密層位置において、第二の緻密層と第三の緻密層によって囲まれた第一の緻密層に形成される平面上の閉領域部の一部を開口、あるいは粗い多孔質体で構成されることが好ましい。
A part or all of the closed region portion on the plane formed in the first dense layer surrounded by the second dense layer and the third dense layer is formed of an open or coarse porous body. It is preferable that the gas flowing in one porous flow path through the opening or the coarse porous section is moved to the other porous flow path here, and the upside down is reversed. Most preferably, the second dense layer is formed a plurality of times along the flow direction and is performed a plurality of times. For this reason, the third dense layer has a second dense layer on the most upstream side and a second dense layer on the most upstream side sandwiched between the second dense layer on the most upstream side and the second dense layer on the downstream side. From the end of one side to the end of the other side, forming a shape that alternates between the upstream side of the dense layer and the downstream side of the optional second dense layer for each second dense layer While providing a third dense layer connected by one over the entire width,
At each second dense layer position, a part of the closed region on the plane formed in the first dense layer surrounded by the second dense layer and the third dense layer is opened or rough porous It is preferable to be comprised with a body.
以下に本発明の詳細な実施形態について図面を用いて説明する。 Hereinafter, detailed embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1(a)(b),図2および図3を用いて第一の実施例について説明する。図1は、本発明の第1実施例の断面図であり、図2は平面図、図3は発明部分の鳥瞰図を示す。 The first embodiment will be described with reference to FIGS. 1A, 1B, 2 and 3. FIG. FIG. 1 is a cross-sectional view of a first embodiment of the present invention, FIG. 2 is a plan view, and FIG. 3 is a bird's-eye view of an invention portion.
図1(a)(b)は本発明の燃料電池セルの一方の極側の断面図である。電解質膜・電極触媒複合体1と両極を流れるガスを分離する仕切り板2の間に一方の極側の電解質膜・電極触媒複合体1と接し、ガス拡散により反応ガスを電解質膜・電極触媒複合体1に供給する役割を果たすガス流路3a,3bが備わり、両流路を分離する分離層4がガス流路
3a,3bの間に設けられている。前記ガス流路3a,3bは多孔質で構成されている。また、前記分離層4は同じく多孔質で構成されているが非常に緻密で空隙の殆どない多孔質体である。
FIGS. 1A and 1B are cross-sectional views on one pole side of the fuel cell of the present invention. Between the electrolyte membrane /
上段の3aを流れる反応ガス100aは電解質膜・電極触媒複合体1に接しており、反応しながら下流へと流れるが、途中に閉塞材5aにより流れがせき止められる。閉塞材
5aの配置を図2の平面図にて示すが、反応面51の一端50aからもう一端の50bまで反応面51の全幅にわたって設けられている。
The reaction gas 100a flowing through the upper stage 3a is in contact with the electrolyte membrane /
一方下段の3bを流れる反応ガス101aは分離層4によって電極と直接接していないため電気化学反応は生じることなく下流へと流れるが、途中に閉塞材5bにより流れがせき止められる。閉塞材5bの配置を図2の平面図と図3の鳥瞰図にて示すが、反応面51の一端50aからもう一端の50bまで反応面51の全幅にわたって設けられている。ただし、先の閉塞材5aに対して必ず上流側と下流側に交互にそれぞれ閉塞材5b−1と
5b−2が配列され、5b−1と5b−2は閉塞材5b−3によってつながっており、反応面51の全幅にわたって反応ガス101aをせきとめている。
On the other hand, the reaction gas 101a flowing through the lower stage 3b does not directly contact the electrode by the
なお、閉塞材5a,5bは分離層4と同じく緻密な多孔質から成り立っており、分離層4と同じ材料であることが好ましい。
The plugging
次にせき止められた反応ガス100a,101aについて説明する。図2の反応ガス
100aは閉塞材5aの上流側の閉塞材5aと閉塞材5bによって囲まれた閉領域の位置において分離層4に開けられた開口部6aを通して図1(a)のガス流路3b内をガス
100bとして出口まで反応せずに流れる。
Next, the blocked reaction gases 100a and 101a will be described. The reaction gas 100a in FIG. 2 passes through the opening 6a opened in the
同様に反応ガス100bは閉塞材5aの下流側の閉塞材5aと閉塞材5bによって囲まれた閉領域の位置において分離層4に開けられた開口部6bを通して図1(b)のガス流路3a内をガス101bとして出口まで電気化学反応を生じながら流れる。
Similarly, the
上記のようなセパレータ構造により、図2に示すように反応面51は閉塞材5aを境として上流側の反応域52aと下流側反応域52bに分けたとすると、反応ガスはここを境に上下段で入れ替わる。電気化学反応に関与して反応物質が消費され生成物や膜を通して移動してきた水その他のガスにより反応物質濃度が著しく減少した反応ガス100aは下流側反応域52bでは電極と隔離され、逆に反応物質濃度の高い新鮮な反応ガス101aが入れ替わって電極と接することになる。
If the
燃料電池の性能では反応界面への反応活物質の供給速度が重要な因子であり、供給速度が遅い、すなわち拡散速度が遅いと特に高電流密度運転下での電圧低下が著しく性能が低下する。 In the performance of the fuel cell, the supply rate of the reaction active material to the reaction interface is an important factor. When the supply rate is low, that is, when the diffusion rate is low, the voltage drop particularly under high current density operation deteriorates remarkably.
従来のガス流れでは下流に行くに従い反応物質濃度は低下する。図4に模式的に示すように、特にカソード電極近傍では生成ガスである水の影響により、酸素濃度の低下が大きい。また、水がガス流路内に出てくるケースはカソードだけでなくアノードにおいても生じる。水の流路内発生は凝縮により流路内の流れを阻害したり、ガスの物質移動を妨げる要因となる。本実施例では途中で水の影響を電極から隔離し、新たに新鮮な反応ガスを供給することができるため水の影響や濃度分布の悪影響を出口まで引きずることがなくなり、電池の性能が向上し、高電流密度での運転が向上する。さらに流路高さ方向における濃度分布改善により反応ガスの高利用率な運転も可能となる。 In the conventional gas flow, the reactant concentration decreases as it goes downstream. As schematically shown in FIG. 4, particularly in the vicinity of the cathode electrode, the decrease in oxygen concentration is large due to the influence of water which is a generated gas. Moreover, the case where water comes out into the gas flow path occurs not only in the cathode but also in the anode. The occurrence of water in the flow path becomes a factor that hinders the flow in the flow path due to condensation or hinders the mass transfer of gas. In this embodiment, the influence of water is isolated from the electrode in the middle, and fresh reaction gas can be supplied, so the influence of water and the adverse effect of concentration distribution are not dragged to the outlet, improving the battery performance. Operation at high current density is improved. Furthermore, the operation with a high utilization rate of the reaction gas is possible by improving the concentration distribution in the channel height direction.
また、電解質膜の水の管理という面から見た場合、特に入口側での膜の乾燥が新規なガスの導入のため生じやすくなるが、本実施例では直接、電解質膜・電極触媒複合体と接するガス量は減少するので、膜からの水の蒸発量も抑制され膜乾燥が生じにくくなるという利点も有する。 In addition, when viewed from the viewpoint of water management of the electrolyte membrane, drying of the membrane on the inlet side is likely to occur due to the introduction of a new gas. In this example, the electrolyte membrane / electrode catalyst composite and Since the amount of gas in contact decreases, the amount of water evaporated from the membrane is also suppressed, and there is an advantage that membrane drying is less likely to occur.
本発明の第2実施例では、図5に示すように閉塞材5aを流れ方向に5a−1,5a−2と2本とした場合を示す。これにより反応面51は3つに分割され、上下段の入れ替えが閉塞材5aの位置において2回行われることになる。
In the second embodiment of the present invention, as shown in FIG. 5, there is shown a case where there are two blocking members 5a, 5a-1, 5a-2, in the flow direction. As a result, the
この場合の閉塞材5bの配置について説明する。閉塞材5a−1における閉塞材5bの配置は実施例1と同様である。閉塞材5a−2でも考え方は同じで、閉塞材5a−1と
5a−2を挟んで、5a−1の上流側と5a−2の下流側に交互にそれぞれ閉塞材5b−3と5b−4が配列され、5b−3と5b−4は閉塞材5b−5によってつながっており、反応面51の全幅にわたって反応ガス102aをせきとめている。
The arrangement of the blocking
なお、反応ガス101aは開口部5bから反応部52bを流れ、閉塞部5a−2の上流側に設けた開口部5cから下段流路を流れる。反応ガス102aは、閉塞材5b−5によって作られる下段流路を流れ、開口部5dから反応部52cを反応しながら流れ出口に達する。
The reaction gas 101a flows through the reaction portion 52b from the
このように閉塞数を流れ方向に増やすことにより、上下段の入れ替え数が増えることにより、新気反応ガスの面内分散が一層促進されることになり、性能向上の効果も大きくなる。 By increasing the number of occlusions in the flow direction in this way, the number of replacement of the upper and lower stages increases, so that the in-plane dispersion of the fresh air reaction gas is further promoted, and the performance improvement effect is also increased.
同様に図6は更に5本と閉塞数を増やしたケースを示す。このように反応部の分割数が増える場合は各反応部への流量分配を考慮しなければならない。本実施では反応部は6分割されており、反応ガス100aは反応部52a、反応ガス101aは同52b、102aは同52c、以下105aは52fへと供給される。6a〜6jは分離層に設けられた開口部を形成し、反応部52a〜52fに反応ガスを供給あるいは反応後のガスを下段流路に導く役割を果たす。 Similarly, FIG. 6 shows a case where the number of occlusions is further increased to five. Thus, when the number of divisions of the reaction part increases, flow distribution to each reaction part must be considered. In this embodiment, the reaction part is divided into six parts, the reaction gas 100a is supplied to the reaction part 52a, the reaction gas 101a is supplied to the same 52b, the 102a is supplied to the same 52c, and the following 105a is supplied to 52f. 6a to 6j form openings provided in the separation layer, and serve to supply reaction gas to the reaction parts 52a to 52f or to guide the reacted gas to the lower flow path.
均一に反応ガス100a〜105aを分配するにはそれぞれの反応ガスの入口から出口までの流動抵抗ができるだけ等しくなるようにしなければならない。しかしながら各反応ガスによって下段流路と上段流路を流れる流路長さの割合が異なっている。下段流路を流れるガスは反応しないので体積流量は一定であるが、上段流路を流れる場合は反応に伴う体積変化を生じる。従ってそれぞれの反応ガスの体積変化も考慮しなければならない。 In order to evenly distribute the reaction gases 100a to 105a, the flow resistance from the inlet to the outlet of each reaction gas must be made as equal as possible. However, the ratio of the channel length flowing through the lower channel and the upper channel differs depending on each reaction gas. Since the gas flowing through the lower flow path does not react, the volume flow rate is constant, but when flowing through the upper flow path, a volume change accompanying the reaction occurs. Therefore, the volume change of each reaction gas must be taken into consideration.
具体的には閉塞材5bによって形成される各反応ガスが流れる下段流路61a〜61eの流路幅を入口から遠い反応部に供給される反応ガスほど流路幅を広くして流動抵抗を調節する。更には流路幅の調整が大きさの制限などを受ける場合には、61aから61eまでの各下段流路の多孔質体の空隙率を変化させて流動抵抗を調節する手段を講じることも可能である。
Specifically, the flow width of the lower flow paths 61a to 61e through which each reaction gas formed by the plugging
なお、図5,図6に見られるように緻密層5a,5bはセル面内を縦横に走っている。緻密層は他の多孔質領域に比べて圧縮に対する変形が小さいため、支柱的な役割を果たすことにより、セルを積層化して面圧をかけたときに多孔質流路の圧縮による変形が抑えられる利点も有する。
5 and 6, the
図7は本発明の第3の実施例を示すセパレータ8の平面図である。本実施例は反応ガス供給用マニホールド10a及び出口マニホールド10bの幅が狭く、反応ガスを低圧損で均一に面内に分散することが困難なセパレータに本発明を適用した例である。
FIG. 7 is a plan view of a
セパレータ8には内部マニホールドとしてアノードガス用10a,10b、セル冷却水用9a,9b、カソードガス用11a,11bが設けられている。本図はアノード面側を示したものであり、マニホールド10aから流入したアノードガスが反応しながらマニホールド10bから排出されるが、このようなマニホールドの幅に対して反応域12の幅が広い場合、流量分布の不均一を生じやすい。逆に均一に流すには整流のために流路構造が複雑になり圧損が大きくなっていた。
The
本セパレータは先の実施例で示したようにアノード流路は前記分離層により2段に分離されている(図示せず)。反応域12は上段流路に設けた閉塞材5aにより反応域が70aと70bに分かれる。反応域70aにはマニホールド10aから流入した反応ガス100aが開口部6aに向かって流れ、開口部6aを通して下段流路を100bとなって流れ、出口マニホールドから10bから排出される。一方マニホールド10aから下段側流路に入った反応ガス101aは下段に設けられた閉塞材5bによってせき止められ、開口部6bを通して反応域70b上段側に反応ガス101bとなって流入する。流入した反応ガス
101bは流路に設けられたガイド7に沿って反応しながら流れ、端部にて流れ方向が曲げられ、出口マニホールドから10bから排出される。
In this separator, as shown in the previous embodiment, the anode flow path is separated into two stages by the separation layer (not shown). The reaction zone 12 is divided into 70a and 70b by the blocking material 5a provided in the upper flow path. The reaction gas 100a flowing in from the manifold 10a flows into the reaction zone 70a toward the opening 6a, flows through the opening 6a through the
本実施例では上下2段構造により反応ガス101aの供給位置を任意に選べること、また下段流路部がヘッダーとしての役割を果たすことが可能なため、反応域70bに均一分配でき、しかも無理なガス流れによる圧損の増加を伴うことなく低圧損での供給が可能になる。
In this embodiment, the supply position of the reaction gas 101a can be arbitrarily selected by the upper and lower two-stage structure, and the lower flow path portion can serve as a header, so that it can be uniformly distributed to the
また、反応域70aには、入口マニホールド10の幅に対して均一な流量分配が可能な範囲の領域に対して反応ガスを流せばよいように設計すればよく、70a,70bの両反応域とも均一な流量分配が可能である。
In addition, the reaction zone 70a may be designed so that the reaction gas flows in a region in which a uniform flow rate distribution can be performed with respect to the width of the
本実施例は一例であり、セパレータ形状や運転条件により、閉塞材5a,5bの配置や形状、及び開口部6a,6bの最適な配置や数を定めることになる。
This embodiment is an example, and the arrangement and shape of the blocking
(製造法)
本発明におけるセパレータの製造方法について説明する。本発明のセパレータ製造方法は仕切り板に第一の多孔質流路構造を形成する工程と、第一の多孔質流路上に前記分離層を形成する工程と、分離層上に第二の多孔質流路構造を形成する工程と、前記分離層に開口部を形成する工程とからなり、いずれもインクジェット方式の吐出装置を用いて行う。
(Production method)
The manufacturing method of the separator in this invention is demonstrated. The separator manufacturing method of the present invention includes a step of forming a first porous channel structure on a partition plate, a step of forming the separation layer on the first porous channel, and a second porous layer on the separation layer. The method includes a step of forming a flow channel structure and a step of forming an opening in the separation layer, both of which are performed using an inkjet discharge device.
吐出装置としては加熱により気泡を発生させ、液滴の吐出を行うサーマル方式やピエゾ方式などがある。 As a discharge device, there are a thermal method and a piezo method in which bubbles are generated by heating and a droplet is discharged.
図8(a)に示す仕切り板2を吐出装置のテーブルに搭載する。インクジェットヘッドに備わり、吐出物である導電性の炭素系微粒子を吐出するための多数のノズルが配列されているノズル形成面を仕切り板2の上にセットされる。前記ノズルには前記閉塞材となる緻密層を形成するための非常に孔径の微細な炭素系粒子を塗布するノズルと前記多孔質流路を形成するための孔径の大きな炭素系粒子を塗布するノズルが閉塞材の平面パターンに対応して配列されている。図8(b)に示すように仕切り板2上に閉塞部となる緻密層
5bと第一の多孔質流路3bが形成される。
The
次に前記分離層4を前記第一の多孔質流路層3bの上に形成する。分離層の開口部位置に当たる部分をマスキング材70で覆う。マスキング材質は樹脂などで温度が高いと蒸散するものが望ましい。吐出装置のインクジェットヘッドのノズル形成面は分離層形成用にセットされ、分離層形成用の炭素系微粒子が第一の多孔質流路層3bの上に塗布され、分離層4が形成される(図8(d))。
Next, the
次に前記第二の多孔質流路層3aを前記分離層4の上に形成する。第一の多孔質流路
3bの形成と同様に前記ノズルには前記閉塞材となる緻密層5aを形成するための非常に孔径の微細な炭素系粒子を塗布するノズルと多孔質流路を形成するための孔径の大きな炭素系粒子を塗布するノズルが閉塞材の平面パターンに対応して配列されている。塗布後の状態を図8(e)に示す。
Next, the second porous flow path layer 3 a is formed on the
最後に分離層4に残っているマスキング材を温度を上げて蒸散させ、開口部6を形成することにより前記開口部が形成される。
Finally, the masking material remaining in the
以上の工程によりセパレータの片側の流路形成が完了する。なお両面を同様な多孔質流路構造とする場合は、もう片側も同様な方法で形成されることになる。 The flow path formation on one side of the separator is completed by the above steps. In addition, when making both surfaces into the same porous flow path structure, the other side will be formed by the same method.
また、追加工程として電解質・電極触媒複合体側と接する前記第二の多孔質流路上面に薄い導電性カーボン層を含むガス拡散層を形成することも可能である。 In addition, as an additional step, it is possible to form a gas diffusion layer including a thin conductive carbon layer on the upper surface of the second porous flow channel in contact with the electrolyte / electrode catalyst composite side.
本製造法では吐出装置については一台でインクジェットのヘッドに備わるノズル形成面を工程ごとに変える方法をとったが、それぞれの工程ごとに吐出装置を備えて、試料を搬送装置により各吐出装置のテーブルに搭載するような連続ライン化することももちろん可能である。 In this manufacturing method, the nozzle forming surface provided in the inkjet head is changed for each process as a single ejection apparatus. However, the ejection apparatus is provided for each process, and a sample is transferred to each ejection apparatus by a transport device. Of course, it is possible to create a continuous line that can be mounted on a table.
1 電解質膜・電極触媒複合体
2 仕切り板
3 多孔質流路部
4 分離層
5 閉塞材
6 開口部
52 反応領域
61 下段多孔質流路部
100 上段反応ガス
101 下段反応ガス
1 Electrolyte Membrane /
Claims (5)
燃料極用と酸化剤極用の両方あるいはいずれか一方の多孔質ガス流路内に第一の緻密層を流れ方向と平行に設けることにより多孔質ガス流路を高さ方向に2段に分離し、分離された多孔質ガス流路のうち一方の多孔質流路には第二の緻密層を流れ方向にせき止める形に一方の辺の端から他方の辺の端まで全幅にわたって設け、分離されたもう一方の多孔質ガス流路内には前記第二の緻密層位置近傍において前記第二の緻密層を挟んでその上流側と下流側位置にて交互に流れ方向にせき止める形に一方の辺の端から他方の辺の端まで全幅にわたって一つにつながった第三の緻密層を設けるとともに、
前記第二の緻密層と前記第三の緻密層によって囲まれた前記第一の緻密層に形成される平面上の閉領域部を開口、あるいは前記緻密層より空隙率の大きい多孔質体で構成されることを特徴とする燃料電池。 An electrolyte membrane / electrocatalyst composite, a gas flow path section composed of a porous body for a fuel electrode sandwiched between the composite fuel electrodes and provided outside the composite fuel electrode, and the composite oxidant electrode In a fuel cell comprising separators each formed with a gas flow path composed of a porous body for an oxidant electrode provided outside
The porous gas channel is separated in two stages in the height direction by providing the first dense layer in parallel to the flow direction in the porous gas channel for the fuel electrode and / or the oxidant electrode. In one of the separated porous gas channels, the second dense layer is provided across the entire width from the end of one side to the end of the other side so as to block the second dense layer in the flow direction. In the other porous gas channel, one side of the second dense layer is located in the vicinity of the position of the second dense layer, and is damped in the flow direction alternately at the upstream side and downstream side of the second dense layer. A third dense layer connected to one end over the entire width from the end of the other side,
A closed region on a plane formed in the first dense layer surrounded by the second dense layer and the third dense layer is formed by an opening or a porous body having a larger porosity than the dense layer A fuel cell.
それぞれの第二の緻密層位置において、第二の緻密層と前記第三の緻密層によって囲まれた前記第一の緻密層に形成される平面上の閉領域部の一部を開口、あるいは前記緻密層より空隙率の大きい多孔質体で構成されることを特徴とする燃料電池。 The second dense layer described in the second item is provided over the entire width from one side edge to the other side edge in a shape in which a plurality of second dense layers are stopped at an arbitrary position in the flow direction. The upstream side of the second dense layer on the most upstream side with the second dense layer on the most upstream side and the remaining second dense layer located on the downstream side of the second dense layer. Formed alternately at the downstream position of the second dense layer for each second dense layer position, and connected to one over the entire width from the end of one side to the end of the other side Providing a third dense layer,
At each second dense layer position, a part of a closed region portion on a plane formed in the first dense layer surrounded by the second dense layer and the third dense layer is opened, or the A fuel cell comprising a porous body having a larger porosity than the dense layer.
4. The fuel cell according to claim 3, wherein the two separated porous gas flow paths according to claim 2 that are partitioned by the plurality of second dense layers are different from each other. A fuel cell.
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