JP5029813B2 - Fuel cell separator - Google Patents
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Description
本発明は、燃料電池用セパレータに関する。さらに詳述すると、本発明は、燃料電池を構成するセパレータの構造の改良に関する。 The present invention relates to a fuel cell separator. More specifically, the present invention relates to an improvement in the structure of a separator constituting a fuel cell.
燃料電池用のセパレータとして、表裏に一体的な流体流路を備え、セパレータどうしが重ねあわされたときの間隙を冷却水(LLC)等の冷媒が流れるように構成されているものが多く利用されている。また、このようなセパレータとして、例えば数十本程度の流体流路からなる流路部と、これら複数の流体流路に冷却水を均等に流すための分配流路とを備えているものが提案されている(例えば特許文献1参照)。 Many separators for fuel cells are provided with integral fluid flow paths on the front and back sides and configured such that coolant such as cooling water (LLC) flows through the gap when the separators are overlapped. ing. In addition, as such a separator, for example, a separator having a flow path portion composed of about several tens of fluid flow paths and a distribution flow path for allowing cooling water to flow evenly in the plurality of fluid flow paths is proposed. (For example, refer to Patent Document 1).
このようなセパレータにおける分配流路は、流体(例えば冷却水)を均等に分配しつつ、セパレータどうし及びセパレータと膜−電極アッセンブリとの電気的接触(導通)を確保する構造であることが重要である。そこで、従来、セパレータの表面への突起および裏面への突起を交互に配置し、隣接するセパレータの突起どうしを突き合わせるようにした構造のセパレータが提案されている。
しかしながら、上述のような構造のセパレータにおいては、複数の流体流路に対する流体の配分能力(本明細書ではこれを配流性という場合がある)が十分でなく、流量にばらつきが生じる場合がある。例えば冷却水の流量に流路ごとのばらつきが生じるとセル面内の温度が高くなり、発電性能が低下してしまうことがある。 However, the separator having the above-described structure does not have sufficient fluid distribution capacity (sometimes referred to as flow distribution in this specification) to a plurality of fluid flow paths, and the flow rate may vary. For example, if the flow rate of the cooling water varies for each flow path, the temperature in the cell surface increases, and the power generation performance may decrease.
そこで、本発明は、冷却水の流量に流路ごとのばらつきが生じるのを抑え、もって燃料電池の発電性能が低下するのを抑制できるようにした燃料電池用セパレータを提供することを目的とする。 In view of the above, an object of the present invention is to provide a fuel cell separator in which the flow rate of the cooling water is prevented from varying for each flow path, and thus the power generation performance of the fuel cell can be prevented from being lowered. .
上述した分配流路においては冷却水が均等に分配されることが望ましい。これを実現するべく、冷却水の入口側マニホールドと出口側マニホールドをセパレータの対角線上に配置して冷却水がセパレータの全体に行き渡るようにした構造のものもある。ところが、上述したようにセパレータの両面に突起を形成し、尚かつ当該両面のそれぞれに流体を流すという構造をとると、分配流路における流路深さは、波状に形成された流路部における流路深さのおよそ半分程度となってしまう。この場合、流体の流路部は分配流路よりも圧損が小さいことから、対角に位置する入口側マニホールドおよび出口側マニホールドに近い流路の冷却水流量が多くなりやすい(図7参照)。この点、例えば特開2000−251913号公報、特表2002−539583号公報においてはアノード側とカソード側とで流体流路の断面積を変える燃料電池が提案されてはいるが、単純に断面積を変えるのみでは配流性を向上させることは難しい。冷却水流量の実測例(図7)を参照しつつ検討を重ねた本発明者は、かかる課題の解決に結び付く新たな知見を得るに至った。 In the distribution flow path described above, it is desirable that the cooling water is evenly distributed. In order to achieve this, there is also a structure in which the cooling water inlet side manifold and the outlet side manifold are arranged on the diagonal of the separator so that the cooling water spreads over the entire separator. However, as described above, when the protrusions are formed on both surfaces of the separator and the fluid is allowed to flow on each of the both surfaces, the flow channel depth in the distribution flow channel is the same as that in the flow channel portion formed in a wave shape. It becomes about half of the channel depth. In this case, since the fluid flow path portion has a smaller pressure loss than the distribution flow path, the coolant flow rate in the flow path close to the inlet side manifold and the outlet side manifold located diagonally tends to increase (see FIG. 7). In this regard, for example, in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-251913 and Japanese Patent Publication No. 2002-539583, a fuel cell is proposed in which the cross-sectional area of the fluid flow path is changed between the anode side and the cathode side. It is difficult to improve the flow distribution only by changing. The present inventor, who has repeatedly studied with reference to an actual measurement example of the cooling water flow rate (FIG. 7), has obtained new knowledge that leads to the solution of such a problem.
本発明はかかる知見に基づくもので、一方の面に冷媒を流通させるための複数本の冷媒流路と、冷媒を供給しまたは排出するための冷媒入口側マニホールドおよび冷媒出口側マニホールドと、該冷媒入口側マニホールドおよび冷媒出口側マニホールドと冷媒流路との間に形成される冷媒の分配流路と、を備えた構造の燃料電池用のセパレータにおいて、冷媒入口側マニホールドと冷媒出口側マニホールドはそれぞれ当該セパレータの冷媒流れ方向両側の一方寄りおよび他方寄りに配置されており、分配流路は、当該セパレータの中央部よりも冷媒流れ方向両側寄りほど冷媒の流路面積が小さく形成されていることを特徴としている。 The present invention is based on such knowledge, and includes a plurality of refrigerant channels for circulating the refrigerant on one surface, a refrigerant inlet side manifold and a refrigerant outlet side manifold for supplying or discharging the refrigerant, and the refrigerant In the separator for a fuel cell having a structure including an inlet side manifold and a refrigerant distribution channel formed between the refrigerant outlet side manifold and the refrigerant channel, the refrigerant inlet side manifold and the refrigerant outlet side manifold are respectively The separator is disposed on one side and the other side on both sides of the refrigerant flow direction, and the distribution channel is formed such that the refrigerant channel area is smaller toward the both sides of the separator in the refrigerant flow direction than the central part of the separator. It is said.
このような構造のセパレータにおいては、冷媒(例えば冷却水)が流れやすかった流路へ連なる分配流路の面積が小さく構成されている。このため、冷媒は圧損の大きい冷媒流れ方向両側寄りよりも当該セパレータの中央部寄りに流れやすくなるから、冷媒の配流性が向上し、流路ごとの流量のばらつき(偏り)が抑えられる。 In the separator having such a structure, the area of the distribution channel connected to the channel through which the refrigerant (for example, cooling water) easily flows is configured to be small. For this reason, since it becomes easier for the refrigerant to flow closer to the center of the separator than to both sides of the refrigerant flow direction where the pressure loss is large, the flow distribution of the refrigerant is improved, and the flow rate variation (bias) for each flow path is suppressed.
かかるセパレータにおいては、中央部から冷媒流れ方向両側に向かうにつれて冷媒の流路面積が連続的に変化するように形成されていることが好ましい。 In such a separator, it is preferable that the flow path area of the refrigerant is continuously changed from the center toward both sides of the refrigerant flow direction.
また、本発明にかかるセパレータは、冷媒の分配流路と燃料電池用の反応ガスの分配流路とが表裏一体に形成されたプレスメタルセパレータであり、冷媒の分配流路における流路面積減少分は当該セパレータの裏面側における反応ガスの分配流路の流路面積増加分となっている。例えば、一方の面(表面)側を冷媒他方の面(裏面)側を水素ガス(燃料ガス)が流れるセパレータの場合には、冷媒の分配流路面積を減少させた分だけその裏面にある水素ガスの分配流路面積を増加させることが可能である。 The separator according to the present invention is a press metal separator in which a refrigerant distribution flow path and a fuel cell reaction gas distribution flow path are integrally formed on the front and back sides, and a reduced flow area in the refrigerant distribution flow path. Is the flow path area increase of the reactive gas distribution flow path on the back side of the separator. For example, in the case of a separator in which hydrogen gas (fuel gas) flows on one surface (front surface) side on the other surface (back surface) side of the refrigerant, the hydrogen on the back surface is reduced by the amount by which the refrigerant distribution channel area is reduced. It is possible to increase the gas distribution channel area.
また、冷媒の分配流路のうち少なくとも流路面積が他部位より小さく形成されているものは断面形状が略矩形であることも好ましい。例えば2段の突起で形成されていた分配流路をこのように断面略矩形とすれば形状がシンプルになり、プレス用の型の形状も同様にシンプルになる。 In addition, it is also preferable that the cross-sectional shape of the refrigerant distribution flow path that is formed at least in a flow path area smaller than that of other parts is substantially rectangular. For example, if the distribution channel formed by the two-stage protrusions is made to have a substantially rectangular cross section in this way, the shape becomes simple, and the shape of the pressing mold becomes simple as well.
本発明によれば、冷却水の流量に流路ごとのばらつきが生じるのを抑えることができる。したがって、燃料電池の発電性能が低下するのを抑制することが可能となる。 According to the present invention, it is possible to suppress the variation of the flow rate of the cooling water for each flow path. Therefore, it is possible to suppress a decrease in the power generation performance of the fuel cell.
以下、本発明の構成を図面に示す実施の形態の一例に基づいて詳細に説明する。 Hereinafter, the configuration of the present invention will be described in detail based on an example of an embodiment shown in the drawings.
図1〜図6に本発明の実施形態を示す。本発明にかかる燃料電池1用のセパレータ20は、複数本の凹溝からなる冷却水流路36と、冷却水の入口側マニホールド17aおよび出口側マニホールド17bと、該冷却水の入口側マニホールド17aおよび出口側マニホールド17bと冷却水流路36との間に形成されている冷却水の分配流路26と、を備えた構造となっている。本実施形態では、かかる冷却水の分配流路26を、当該セパレータ20の中央部よりも冷媒流れ方向両側寄りほど流路面積が小さくなるように形成している(図5等参照)。
1 to 6 show an embodiment of the present invention. The
以下に説明する実施形態においては、まず、燃料電池1を構成するセル(発電セル)2および複数のセル2が積層されてなる燃料電池スタックの概略構成について説明し、その後、セパレータ20および冷却水の分配流路26の構造について説明することとする。
In the embodiment described below, first, a schematic configuration of a fuel cell stack in which a cell (power generation cell) 2 and a plurality of
図1に本実施形態における燃料電池1のセル2の概略構成を示す。図示するように構成されるセル2は、順次積層されてセル積層体3を構成している(図2参照)。また、このセル積層体3等で構成される燃料電池スタックは、例えばスタック両端を一対のエンドプレート7で挟まれ、さらにこれらエンドプレート7どうしを繋ぐようにテンションプレート8からなる拘束部材が配置された状態で積層方向への荷重がかけられて締結されている(図2参照)。
FIG. 1 shows a schematic configuration of a
なお、このような燃料電池スタック等で構成される燃料電池1は、例えば燃料電池車両(FCHV;Fuel Cell Hybrid Vehicle)の車載発電システムにおいて利用可能なものであるがこれに限られることはなく、各種移動体(例えば船舶や飛行機など)やロボットなどといった自走可能なものに搭載される発電システム、さらには定置の発電システムにおいても利用することが可能である。 The fuel cell 1 configured by such a fuel cell stack or the like can be used in, for example, an in-vehicle power generation system of a fuel cell vehicle (FCHV; Fuel Cell Hybrid Vehicle), but is not limited thereto. It can also be used in power generation systems mounted on various mobile bodies (for example, ships, airplanes, etc.), self-propelled devices such as robots, and stationary power generation systems.
セル2は、電解質、具体例として膜−電極アッセンブリ(以下MEA;Membrane Electrode Assemblyと呼ぶ)30、該MEA30を挟持する一対のセパレータ20(図1、図4等においてはそれぞれ符号20a,20bで示している)等で構成されている(図1参照)。MEA30および各セパレータ20a,20bはおよそ矩形の板状に形成されている。また、MEA30はその外形が各セパレータ20a,20bの外形よりも小さくなるように形成されている。
The
MEA30は、高分子材料のイオン交換膜からなる高分子電解質膜(以下、単に電解質膜ともいう)31と、電解質膜31を両面から挟んだ一対の電極(アノード側拡散電極およびカソード側拡散電極)32a,32bとで構成されている(図1参照)。電解質膜31は、各電極32a,32bよりも大きく形成されている。この電解質膜31には、その周縁部33を残した状態で各電極32a,32bが例えばホットプレス法により接合されている。
The
MEA30を構成する電極32a,32bは、その表面に付着された白金などの触媒を担持した例えば多孔質のカーボン素材(拡散層)で構成されている。一方の電極(アノード)32aには燃料ガス(反応ガス)としての水素ガス、他方の電極(カソード)32bには空気や酸化剤などの酸化ガス(反応ガス)が供給され、これら2種類の反応ガスによりMEA30内で電気化学反応が生じてセル2の起電力が得られるようになっている。
The
セパレータ20(20a,20b)はガス不透過性の導電性材料で構成されている。導電性材料としては、例えばカーボンや導電性を有する硬質樹脂のほか、アルミニウムやステンレス等の金属(メタル)が挙げられる。本実施形態のセパレータ20(20a,20b)の基材は板状のメタルで形成されているものであり(メタルセパレータ)、この基材の電極32a,32b側の面には耐食性に優れた膜(例えば金メッキで形成された皮膜)が形成されている。
The separator 20 (20a, 20b) is made of a gas impermeable conductive material. Examples of the conductive material include carbon and a hard resin having conductivity, and metals such as aluminum and stainless steel. The base material of the separator 20 (20a, 20b) of the present embodiment is formed of a plate-like metal (metal separator), and a film having excellent corrosion resistance is formed on the surface of the base material on the
また、セパレータ20a,20bの両面には、複数の凹部によって構成される溝状の流路が形成されている。これら流路は、例えば板状のメタルによって基材が形成されている本実施形態のセパレータ20a,20bの場合であればプレス成形によって形成することができる。このようにして形成される溝状の流路は、酸化ガスのガス流路34や水素ガスのガス流路35、あるいは冷却水流路36を構成している。より具体的に説明すると、セパレータ20aの電極32a側となる内側の面には水素ガスのガス流路35が形成され、その裏面(外側の面)には冷却水流路36が形成されている(図1参照)。同様に、セパレータ20bの電極32b側となる内側の面には酸化ガスのガス流路34が形成され、その裏面(外側の面)には冷却水流路36が形成されている(図1参照)。例えば本実施形態の場合、隣接する2つのセル2,2に関し、一方のセル2のセパレータ20aの外面と、これに隣接するセル2のセパレータ20bの外面とを付き合わせた場合に両者の冷却水流路36が一体となり断面が例えば矩形あるいはハニカム形の流路が形成される構造となっている。
Further, a groove-like flow path constituted by a plurality of concave portions is formed on both surfaces of the
さらに、上述したように各セパレータ20a,20bは、少なくとも流体の流路をなすための凹凸形状が表面と裏面とで反転した関係になっている。より具体的に説明すると、セパレータ20aにおいては、水素ガスのガス流路35を形成する凸形状(凸リブ)の裏面が冷却水流路36を形成する凹形状(凹溝)であり、ガス流路35を形成する凹形状(凹溝)の裏面が冷却水流路36を形成する凸形状(凸リブ)である。さらに、セパレータ20bにおいては、酸化ガスのガス流路34を形成する凸形状(凸リブ)の裏面が冷却水流路36を形成する凹形状(凹溝)であり、ガス流路34を形成する凹形状(凹溝)の裏面が冷却水流路36を形成する凸形状(凸リブ)である。
Furthermore, as described above, the
また、セパレータ20a,20bの長手方向の端部付近(本実施形態の場合であれば、図1中向かって左側に示す一端部の近傍)には、酸化ガスの入口側のマニホールド15a、水素ガスの出口側のマニホールド16b、および冷却水の入口側のマニホールド17aが形成されている。例えば本実施形態の場合、これらマニホールド15a,16b,17aは各セパレータ20a,20bに設けられた略矩形ないしは台形、あるいは両端が半円形状の長細矩形の透孔によって形成されている(図1等参照)。さらに、セパレータ20a,20bのうち反対側の端部には、酸化ガスの出口側のマニホールド15b、水素ガスの入口側のマニホールド16a、および冷却水の出口側のマニホールド17bが形成されている。本実施形態の場合、これらマニホールド15b,16a,17bも略矩形ないしは台形、あるいは両端が半円形状の長細矩形の透孔によって形成されている(図1参照)。なお、図2においてはa,bの添字を省略した形で各マニホールドの符号を示している。
Further, in the vicinity of the longitudinal ends of the
上述のような各マニホールドのうち、セパレータ20aにおける水素ガス用の入口側マニホールド16aと出口側マニホールド16bは、セパレータ20aに形成されている入口側の連絡通路61および出口側の連絡通路62を介してそれぞれが水素ガスのガス流路35に連通している。同様に、セパレータ20bにおける酸化ガス用の入口側マニホールド15aと出口側マニホールド15bは、セパレータ20bに形成されている入口側の連絡通路63および出口側の連絡通路64を介してそれぞれが酸化ガスのガス流路34に連通している(図1参照)。さらに、各セパレータ20a,20bにおける冷却水の入口側マニホールド17aと出口側マニホールド17bは、各セパレータ20a,20bに形成されている入口側の連絡通路65および出口側の連絡通路66を介してそれぞれが冷却水流路36に連通している。ここまで説明したような各セパレータ20a,20bの構成により、セル2には、酸化ガス、水素ガスおよび冷却水が供給されるようになっている。ここで具体例を挙げておくと、セル2が積層された場合、例えば水素ガスは、セパレータ20aの入口側マニホールド16aから連絡通路61を通り抜けてガス流路35に流入し、MEA30の発電に供された後、連絡通路62を通り抜けて出口側マニホールド16bに流出することになる。
Of the manifolds as described above, the
なお、本実施形態においては、冷却水の入口側マニホールド17aと出口側マニホールド17bとをそれぞれセパレータ20の冷却水流れ方向両側の一方寄りおよび他方寄りに配置している(図1、図3参照)。すなわち、本実施形態においては冷却水の入口側マニホールド17aと出口側マニホールド17bをセパレータ20の対角線上に配置することとし、これによってセパレータ20に対し冷却水が全面的に行き渡りやすくなるようにしている。
In the present embodiment, the cooling water inlet-
第1シール部材13a、第2シール部材13bは、ともに複数の部材(例えば独立した小型の4つの矩形枠体と、流体流路を形成するための大きな枠体)で形成されているものである(図1参照)。これらのうち、第1シール部材13aはMEA30とセパレータ20aとの間に設けられるもので、より詳細には、その一部が、電解質膜31の周縁部33と、セパレータ20aのうちガス流路35の周囲の部分との間に介在するように設けられる。また、第2シール部材13bは、MEA30とセパレータ20bとの間に設けられるもので、より詳細には、その一部が、電解質膜31の周縁部33と、セパレータ20bのうちガス流路34の周囲の部分との間に介在するように設けられる。
The
さらに、隣接するセル2,2のセパレータ20bとセパレータ20aとの間には、複数の部材(例えば独立した小型の4つの矩形枠体と、流体流路を形成するための大きな枠体)で形成された第3シール部材13cが設けられている(図1参照)。この第3シール部材13cは、セパレータ20bにおける冷却水流路36の周囲の部分と、セパレータ20aにおける冷却水流路36の周囲の部分との間に介在するように設けられてこれらの間をシールする部材である。
Further, a plurality of members (for example, four independent small rectangular frames and a large frame for forming a fluid flow path) are formed between the
なお、第1〜第3シール部材13a〜13cとしては、隣接する部材との物理的な密着により流体を封止する弾性体(ガスケット)や、隣接する部材との化学的な結合により接着する接着剤などを用いることができる。例えば本実施形態では各シール部材13a〜13cとして弾性によって物理的にシールする部材を採用しているが、この代わりに上述した接着剤のような化学結合によってシールする部材を採用することもできる。
In addition, as the first to
枠状部材40は、MEA30とともにセパレータ20a,20b間に挟持される例えば樹脂からなる部材(以下、樹脂フレームともいう)である。例えば本実施形態では、薄い枠形状の樹脂フレーム40をセパレータ20a,20b間に介在させ、当該樹脂フレーム40によってMEA30の少なくとも一部、例えば周縁部33に沿った部分を表側と裏側から挟持するようにしている。このように設けられる樹脂フレーム40は、締結力を支持するセパレータ20(20a,20b)間のスペーサとしての機能、絶縁部材としての機能、セパレータ20(20a,20b)の剛性を補強する補強部材としての機能を発揮する。
The frame-shaped
続いて、燃料電池1の構成について簡単に説明する(図2参照)。本実施形態における燃料電池1は、複数のセル2を積層してなるセル積層体3を備え、当該セル積層体3の両端に位置するセル(端セル)2,2の外側に順次、断熱セル4、出力端子5a付のターミナルプレート5、インシュレータ(絶縁プレート)6およびエンドプレート7をさらに備えた構成となっている。セル積層体3に対しては、両エンドプレート7をつなぐように架け渡されたテンションプレート8によって積層方向への所定の圧縮力が加えられている。さらに、セル積層体3の一端側のエンドプレート7とインシュレータ6との間にはプレッシャプレート9とばね機構9aとが設けられており、セル2に作用する荷重の変動が吸収されるようになっている。
Next, the configuration of the fuel cell 1 will be briefly described (see FIG. 2). The fuel cell 1 according to the present embodiment includes a
断熱セル4は例えば2枚のセパレータとシール部材とで断熱層が形成されているもので、発電に伴い生じる熱が大気等に放熱されるのを抑える役割を果たす。すなわち、一般に、セル積層体3の端部は大気との熱交換により温度が低くなりやすいことから、当該セル積層体3の端部に断熱層を形成することによって熱交換(放熱)を抑えることが行われている。このような断熱層としては、例えば、セル2におけるものと同様の一対のセパレータに、膜−電極アッセンブリの代わりとして導電板などの断熱部材10を挟み込んだ構成のものがある。この場合に用いられる断熱部材10は断熱性に優れるほど好適であり、具体的には例えば導電性多孔質シートなどが用いられる。また、このような断熱部材10の周囲をシール部材で封止することによって空気層が形成される。
The
ターミナルプレート5は集電板として機能する部材であり、例えば鉄、ステンレス、銅、アルミニウム等の金属で板状に形成されている。ターミナルプレート5のうち断熱セル4側の表面には、めっき処理等の表面処理が施されており、かかる表面処理により断熱セル4との接触抵抗が確保されている。めっきとしては、金、銀、アルミ、ニッケル、亜鉛、すず等を挙げることができ、例えば本実施形態では導電性、加工性および低廉性を勘案してすずめっき処理を施している。
The
インシュレータ6は、ターミナルプレート5とエンドプレート7等とを電気的に絶縁する機能を果たす部材である。このような機能を果たすため、かかるインシュレータ6は例えばポリカーボネートなどの樹脂材料により板状に形成されている。
The
エンドプレート7は、ターミナルプレート5と同様、各種金属(鉄、ステンレス、銅、アルミニウム等)で板状に形成されている。例えば本実施形態では銅を用いてこのエンドプレート7を形成しているがこれは一例に過ぎず、他の金属で形成されていても構わない。
The
テンションプレート8は両エンドプレート7,7間を架け渡すようにして設けられているもので、例えば一対がセル積層体3の両側に対向するように配置される(図2参照)。テンションプレート8は、各エンドプレート7,7にボルト等で固定され、単セル2の積層方向に所定の締結力(圧縮力)を作用させた状態を維持する。このテンションプレート8の内側面(セル積層体3を向く面)には漏電やスパークが生じるのを防止すべく絶縁膜が形成されている。絶縁膜は、具体的には例えば当該テンションプレート8の内側面に貼り付けられた絶縁テープ、あるいは当該面を覆うように塗布された樹脂コーティングなどによって形成されている。
The
続いて、セパレータ20および分配流路の構造について説明する(図3等参照)。
Next, the structure of the
分配流路21は、マニホールド15a等とガス流路34,35あるいは冷却水流路36との間に形成されているもので、マニホールド15a等から流入した流体をガス流路34,35あるいは冷却水流路36を構成する各凹溝へと分配し、または各凹溝から流れ出た流体を合流させてマニホールド15b等から流出させる。図3、図4においては冷却水流路36に連なる冷却水の分配流路を符号26で示している。また、図4においては酸化ガスのガス流路34に連なる酸化ガスの分配流路を符号24で、水素ガスのガス流路35に連なる水素ガスの分配流路を符号25でそれぞれ示している(図4参照)。
The distribution channel 21 is formed between the manifold 15a and the like and the
なお、各凹溝を流れ出た流体が合流する部分についても本実施形態では分配流路24〜26と呼んでいる。すなわち、この場合における分配流路24〜26は実質的に流体の分配を行うものではないが対称的な構造となっているものであり、流体をいずれの方向にも流しうるものなので分配流路と総称することとする(図3参照)。
In this embodiment, portions where the fluids flowing out from the respective concave grooves join are also called
セパレータ20bには、MEA30に向かって略円形に突出する突起52、および対向するセパレータ20aに向かって略円形に突出する突起51が交互に等間隔となるように形成されている(図4参照)。各突起51,52の裏側にはディンプル状の凹部が一体的に形成されている。各突起51,52は対向するセパレータ20aまたはMEA30と当接するスペーサとして機能し、酸化ガスの分配流路24および冷却水の分配流路26を形成するスペースを確保するとともに、セル積層時に当該セパレータ20bに作用する締結荷重を受ける働きをする(図4参照)。
In the
一方、セパレータ20aには、MEA30に向かって略円形に突出する突起42、および対向するセパレータ20bに向かって略円形に突出する突起41が交互に等間隔となるように形成されている(図4参照)。各突起41,42の裏側にはディンプル状の凹部が一体的に形成されている(なお、図3では突起42の裏側に形成されるディンプル状の凹部を符号42dで示している)。各突起41,42は対向するセパレータ20bまたはMEA30と当接するスペーサとして機能し、水素ガスの分配流路25および冷却水の分配流路26を形成するスペースを確保するとともに、セル積層時に当該セパレータ20aに作用する締結荷重を受ける働きをする(図4参照)。
On the other hand, the
上述したセパレータ20(20a,20b)において、酸化ガスの入口側マニホールド15aから流入した酸化ガスは、分配流路24を流れ、酸化ガスのガス流路34を流れ、さらに反対側の分配流路24を流れ、出口側マニホールド15bから流出する。同様に、水素ガスの入口側マニホールド16aから流入した水素ガスは、分配流路25を流れ、水素ガスのガス流路35を流れ、さらに反対側の分配流路25を流れ、出口側マニホールド16bから流出する。また、冷却水の入口側マニホールド17aから流入した冷却水は、分配流路26を流れ、冷却水流路36を流れ、さらに反対側の分配流路26を流れ、出口側マニホールド17bから流出する。
In the separator 20 (20a, 20b) described above, the oxidizing gas that has flowed from the
ここで、流路面積が一様である分配流路26の場合、対角に位置する冷却水入口側マニホールド17aおよび出口側マニホールド17bに近い流路に多くの冷却水が流れ込み、中央部における冷却水流量が極端に少なくなることがある(参考として示す図7参照)。この場合には冷却水の配流性が不十分ということになり、流量のばらつきに起因して冷却水による冷却が十分になされず、ひいては燃料電池1の発電性能が低下してしまうおそれがある。
Here, in the case of the
この点、本実施形態では、冷却水の分配流路26を、当該セパレータ20の中央部よりも冷却水流れ方向(図3中の矢印参照)の両側寄りほど流路面積が小さくなるように形成している(図5参照)。すなわち、多くの冷却水が流れやすい冷却水流路36へ連なる分配流路26の流路面積を意図的に小さく構成することにより、冷却水の配流性を向上させるようにしている(図6参照)。このような構造の場合、冷却水は圧損の大きい冷媒流れ方向両側寄りばかりでなく、当該セパレータ20の中央部寄りにも流れ込みやすくなるから、配流性が向上し、流路ごとの流量のばらつき(偏り)が抑えられる。なお、本明細書でいう圧損とは、流体流路の形状、流体流路の表面の滑らかさ等に起因して、当該流体が有する圧力などのエネルギーが消費されることである。例えば本実施形態の場合であれば、冷却水分配流路26と冷却水流路36との境界部分において冷却水に作用する差圧と表現することもできる。
In this regard, in the present embodiment, the cooling water
なお、図6、図7では冷却水流路36の流路(凹溝)数が50である場合の冷却水の配流性を例示している。また、図中の「上段」、「下段」は、それぞれ鉛直方向上側、下側であることを表している。ちなみに、冷却水の入口側マニホールド17aが下段(下側)、出口側マニホールド17bが上段(上側)に配置されることが一般に多いがこのような配置に限られるわけではない。
6 and 7 exemplify the distribution characteristics of the cooling water when the number of channels (concave grooves) of the cooling
ここで配流性を向上させるための構造の具体例を説明する。本実施形態では、セパレータ20aの突起41を、対向するセパレータ20bの突起51よりも大径に形成している(図5参照)。こうした場合、当該突起41の裏側領域(面積)が増加し、隣接する突起42の裏側領域(面積)が相対的に減少するから、その分だけ流体(冷却水)の圧損が大きくなる。図3を用いて別表現をすれば、隣接する突起41,41間の隙間が狭く形成された部分においては、その分だけ冷却水が流れ込みにくくなる。したがって、流れ方向両端寄りほど流量が多いという偏った配流性を改善し、流路ごとの流量のばらつき(偏り)を抑えることが可能となる(図6参照)。
Here, a specific example of a structure for improving flow distribution will be described. In the present embodiment, the
また、冷却水の分配流路26を小さく形成する際、セパレータ20aの断面形状(突起41や突起42の断面形状)は略矩形となっていることが好ましい。例えばセパレータ20bは突起51と突起52との間に平坦部があり段差が2段の断面形状となっているのに対し、対向する本実施形態のセパレータ20aは断面形状が略矩形ないしは台形であり、突起41と突起42とが連続的に連なる比較的シンプルな波形状である。
Further, when the cooling
さらに、冷却水の分配流路26を小さく形成する際、セパレータ20aの中央部から冷媒流れ方向両側に向かうにつれて分配流路26の流路面積が連続的に変化するように形成することも好ましい。例えば本実施形態では図3中のV-V線における断面形状のみを示しているが(図5参照)、当該V-V線よりも中央部に寄るほど断面積が大きくなり、当該V-V線よりも両端(外側)に寄るほど断面積が小さくなるように冷却水の分配流路26の形状を連続的に変化させるようにしている。こうした場合、流量のばらつき(偏り)をさらに抑えて配流性をより向上させることができる(図6参照)。
Furthermore, when the cooling
ここまで説明したように、分配流路26の一部を適宜小さく構成した本実施形態のセパレータ20(20a)によれば、冷却水の配流性を向上させ、流路ごとの流量のばらつき(偏り)を抑えることができるから、当該燃料電池1の発電性能が低下するのを抑制することが可能である。また、配流性が向上したことをCFD(計算流体力学)解析データを用いて例示すれば、従来形状における流量ばらつき(分散)度が67.4だったのに対し、本実施形態の場合には17.3に向上している(図6、図7参照)。
As described so far, according to the separator 20 (20a) of the present embodiment in which a part of the
なお、上述の実施形態は本発明の好適な実施の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。例えば本実施形態ではセパレータ20aの形状を適宜変形し、冷却水流路面積の減少分を水素ガスの流路面積増加分に割り当てるようにしたが(図5参照)、この代わりに対向するセパレータ20bの形状を適宜変形することとしてもよい。こうした場合には、冷却水流路面積の減少分を酸化ガスの流路面積増加分に割り当てることができる。あるいは、セパレータ20a,20bの両方を同様に変形して対称的な形状としてもよい。
The above-described embodiment is an example of a preferred embodiment of the present invention, but is not limited thereto, and various modifications can be made without departing from the scope of the present invention. For example, in the present embodiment, the shape of the
また、本実施形態で示したセパレータ20(20a)の形状は一例に過ぎず、冷却水流量を適宜減少させうる形状であれば特にこのような形状に限定されることはない。例示すれば、分配流路26を形成するセパレータ20の溝部分を浅く形成することによって冷却水流量を減少させてもよいし、当該セパレータ20の溝部分を幅狭に形成することによって冷却水流量を減少させてもよい。
Further, the shape of the separator 20 (20a) shown in the present embodiment is merely an example, and the shape is not particularly limited as long as the shape can appropriately reduce the cooling water flow rate. For example, the flow rate of the cooling water may be reduced by forming the groove portion of the
1…燃料電池、2…セル、3…セル積層体、17a…冷却水の入口側マニホールド(冷媒入口側マニホールド)、17b…冷却水の出口側マニホールド(冷媒出口側マニホールド)、20(20a,20b)…セパレータ、24…酸化ガスの分配流路(反応ガスの分配流路)、25…水素ガスの分配流路(反応ガスの分配流路)、26…冷却水の分配流路(冷媒の分配流路)、36…冷却水流路(冷媒流路) DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Fuel cell, 2 ... Cell, 3 ... Cell laminated body, 17a ... Cooling water inlet side manifold (refrigerant inlet side manifold), 17b ... Cooling water outlet side manifold (refrigerant outlet side manifold), 20 (20a, 20b) ) Separator, 24 ... Oxidizing gas distribution channel (reaction gas distribution channel), 25 ... Hydrogen gas distribution channel (reaction gas distribution channel), 26 ... Cooling water distribution channel (refrigerant distribution) Flow path), 36 ... cooling water flow path (refrigerant flow path)
Claims (4)
前記冷媒入口側マニホールドと冷媒出口側マニホールドはそれぞれ当該セパレータの前記冷媒流れ方向両側の一方寄りおよび他方寄りに配置されており、
前記分配流路は、当該セパレータの中央部よりも前記冷媒流れ方向両側寄りほど前記冷媒の流路面積が小さく形成されている
ことを特徴とするセパレータ。 A plurality of refrigerant flow paths for circulating the refrigerant on one surface; a refrigerant inlet side manifold and a refrigerant outlet side manifold for supplying or discharging the refrigerant; and the refrigerant inlet side manifold and the refrigerant outlet side manifold; In the separator for a fuel cell having a structure provided with the refrigerant distribution channel formed between the refrigerant channel,
The refrigerant inlet side manifold and the refrigerant outlet side manifold are respectively arranged on one side and the other side on both sides of the refrigerant flow direction of the separator,
The separator is characterized in that the flow path area of the refrigerant is formed smaller toward the both sides in the refrigerant flow direction than the central portion of the separator.
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