JP5050697B2 - Separator for fuel cell - Google Patents
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Description
本発明は、燃料電池用のセパレータに関し、詳しくは、電極や他の部材と共に燃料ガスや酸化ガスまたは冷却媒体等の流体の流路を形成する複数の凸部を有し、この電極等と積層されて燃料電池スタックを形成した際に単位セル間の隔壁をなす燃料電池用のセパレータに関する。 The present invention relates to a separator for a fuel cell. More specifically, the present invention has a plurality of protrusions that form a flow path of a fluid such as a fuel gas, an oxidizing gas, or a cooling medium together with electrodes and other members, and is laminated with the electrodes and the like. The present invention relates to a fuel cell separator that forms partition walls between unit cells when a fuel cell stack is formed.
従来、この種の燃料電池用のセパレータとしては、図6の従来例のセパレータ320として示されるように、ガス拡散電極(図示せず)とにより形成される燃料ガスや酸化ガスの流路を、流路形成リブ334,336,338により全体としては二つのU字型状とし、その直線部分については複数の直線リブ340により流路をガイドし、流向の変化する部位(すなわち、U字型の流路の屈曲部)については断面が略正方形の複数の凸部342,344によりガスの方向性に対する自由度を大きくして燃料ガスや酸化ガスの流向を変化させるものが提案されている(例えば、特開平10−106594号公報など)。この従来例のセパレータ320によれば、このように燃料ガスや酸化ガスの流路を二つのU字型状とすることにより、ガス拡散電極全体に燃料ガスや酸化ガスをより均等に供給することができるとされている。
Conventionally, as a separator for this type of fuel cell, as shown as a
しかしながら、この従来例のセパレータ320では、燃料ガスや酸化ガスの流向が変化する部位において、ガスは、流向の変化の内周側を多く流れ、その外周側についてはあまり流れないといった問題が生じていた。この問題は燃料ガスや酸化ガスのガス拡散電極への均等な供給を阻害するものであるから、燃料電池の性能を十分に発揮させることができないという問題をも生じさせる。
However, in the
こうした問題は、同様のセパレータを用いて冷却媒体の流路を形成した場合には、冷却媒体がセパレータ内に均等に流れないことによって生じるセパレータの温度分布の問題、すなわち、温度分布を生じることによる燃料電池の性能の低下の問題として把握される。 Such a problem is caused when a cooling medium flow path is formed by using the same separator, and the temperature distribution of the separator caused by the cooling medium not flowing uniformly in the separator, that is, the temperature distribution is generated. It is grasped as a problem of deterioration of fuel cell performance.
本発明の燃料電池用のセパレータは、こうした問題を解決し、燃料ガスや酸化ガスをより均等に電極に供給すること又は冷却媒体をセパレータ内により均等に流すことを目的とする。 The separator for a fuel cell of the present invention aims to solve such problems and to supply fuel gas and oxidizing gas to the electrode more evenly or to flow the cooling medium more evenly in the separator.
本発明の燃料電池用のセパレータは、上述の目的を達成するために以下の手段を採った。 The fuel cell separator of the present invention employs the following means in order to achieve the above-described object.
本発明の燃料電池用のセパレータは、流体の流路を形成する複数の凸部を有し、電極と積層されて燃料電池スタックを形成した際に単位セル間の隔壁をなす燃料電池用のセパレータであって、前記流体の流向を変化させる前記凸部は、前記流体の流向を変化させる部位において、間欠形成されている凸部を有する。 The separator for a fuel cell according to the present invention has a plurality of convex portions forming a fluid flow path, and forms a partition between unit cells when stacked with an electrode to form a fuel cell stack. And the said convex part which changes the flow direction of the said fluid has the convex part formed intermittently in the site | part which changes the flow direction of the said fluid.
また、前記燃料電池用のセパレータにおいて、前記凸部は、前記部位の外周方向に向かって複数形成され、前記間欠形成されている凸部の延在方向に対して垂直方向に沿って同一直線状で隣り合う前記間欠形成されている凸部は、互いにずれるように配置されることが好ましい。 In the fuel cell separator, a plurality of the convex portions are formed toward an outer peripheral direction of the portion, and are collinear along a direction perpendicular to an extending direction of the intermittently formed convex portions. It is preferable that the intermittently formed convex portions adjacent to each other are arranged so as to be shifted from each other.
また、前記燃料電池用のセパレータにおいて、前記間欠形成されている凸部は、前記部位の外周方向に向かうほど、前記流向に対して下流側に配置されることが好ましい。 Further, in the fuel cell separator, it is preferable that the intermittently formed convex portion is disposed on the downstream side with respect to the flow direction toward the outer peripheral direction of the portion.
また、本発明の燃料電池用のセパレータは、流体の流路を形成する複数の凸部を有し、電極と積層されて燃料電池スタックを形成した際に単位セル間の隔壁をなす燃料電池用のセパレータであって、前記流体の流向を変化させる前記凸部は、前記流体の流向を変化させる部位において、前記凸部の内周と外周との間を流体が流通する流通路を有する。 The separator for a fuel cell according to the present invention has a plurality of convex portions that form a fluid flow path, and forms a partition between unit cells when stacked with an electrode to form a fuel cell stack. The convex portion that changes the flow direction of the fluid has a flow passage through which the fluid flows between the inner periphery and the outer periphery of the convex portion at a portion that changes the flow direction of the fluid.
また、前記燃料電池用のセパレータにおいて、前記凸部は、前記部位の外周方向に向かって複数形成され、前記流通路の延在方向に対して垂直方向に沿って同一直線上で隣り合う前記流通路は、互いにずれるように配置されることが好ましい。 Also, in the fuel cell separator, the plurality of convex portions are formed toward the outer peripheral direction of the portion, and the circulation is adjacent on the same straight line along a direction perpendicular to the extending direction of the flow passage. The paths are preferably arranged so as to be offset from each other.
また、前記燃料電池用のセパレータにおいて、前記連通路は、前記部位の外周方向に向かうほど、前記流向に対して下流側に配置されることが好ましい。 In the fuel cell separator, it is preferable that the communication path is disposed on the downstream side with respect to the flow direction toward the outer peripheral direction of the portion.
次に、本発明の実施の形態を実施例を用いて説明する。図1は、本発明の一実施例である燃料電池用のセパレータ20の概略構成を示す構成図である。なお、図1に示す屈曲部リブ42a〜42d,44a〜44cは参考例である。このセパレータ20は、ガス不透過の緻密性カーボンにより形成されている。図示するように、セパレータ20の各辺の近くには、燃料ガス(例えば、水素を含有する水素リッチガス等)をセパレータ20の表面に導入するための燃料ガス導入孔22と、燃料ガスを他の単位セルと連絡するための燃料ガス連絡孔23と、燃料ガスをセパレータ20から排出するための燃料ガス排出孔24と、酸化ガス(例えば、酸素を含有する空気等)を図示しないセパレータ20の裏面に導入するための酸化ガス導入孔26と、酸化ガスを他の単位セルと連絡するための酸化ガス連絡孔27と、この酸化ガスをセパレータ20から排出するための酸化ガス排出孔28と、冷却水の水路を形成する冷却水孔30および32とが形成されている。これらの各孔は、図示しないが、積層して燃料電池スタックを形成した際には、燃料電池スタック内に積層方向の燃料ガスや酸化ガスあるいは冷却水の流入または排出のための流路が形成され、燃料電池スタック内の各セルに燃料ガスや酸化ガスが供給され、燃料電池スタックを冷却するために規則的に積層された各冷却部材に冷却水が供給されるようになっている。
Next, embodiments of the present invention will be described using examples. FIG. 1 is a configuration diagram showing a schematic configuration of a
セパレータ20の表面には、燃料ガス導入孔22から導入された燃料ガスが全体としてU字型に流れて燃料ガス連絡孔23に至り、この燃料ガス連絡孔23から同様にU字型に流れて燃料ガス排出孔24へ排出される流路を形成する3本の流路形成リブ34,36,38が形成されている。この3本の流路形成リブ34,36,38により形成された二つのU字型の流路の直線部分には断面が正方形の複数の凸部40が形成されており、燃料ガスの電極への効率的な拡散と電極との十分な接触を確保している。二つのU字型の流路における屈曲部には、等間隔の複数の溝を形成するコの字型の屈曲部リブ42a〜42d(参考例),44a〜44c(参考例)が形成されており、燃料ガスが屈曲部の内周側に片寄って流れるのを防止し、外周側にも燃料ガスが均等に流れるようにされている。なお、屈曲部において、外周側になるほど外周側の屈曲部リブ(例えば屈曲部リブ42dや44c)の上流側の端部を内周側の屈曲部リブ(例えば屈曲部リブ42aや44a)のそれより下流側になるよう形成しているのは、燃料ガスが外周部ほど流れ込みやすいようにするためである。これは、各屈曲部リブにより形成される各溝の長さや各溝から電極に供給される燃料ガスの量、更に流体力学的な燃料ガスの流れやすさを勘案すると、外周側の溝ほど燃料ガスをより多く流す必要があるからである。
On the surface of the
セパレータ20の裏面には、図示しないが、酸化ガス導入孔26から導入された酸化ガスが酸化ガス連絡孔27を経由して酸化ガス排出孔28へ排出される二つのU字型の流路が、図1に例示するセパレータ20の表示面における燃料ガスの二つのU字型の流路と同様に形成されている。したがって、セパレータ20の裏面の構成については説明が重複するので省略する。
Although not shown in the drawing, two U-shaped flow paths through which the oxidizing gas introduced from the oxidizing
こうして構成された実施例のセパレータ20は、図2に固体高分子型燃料電池の単位セルの構成図として例示するセルを構成する電解質膜50と燃料ガス側の電極52と酸化ガス側の電極54と共に積層されて燃料電池スタック(図示せず)を構成する。なお、図2に例示する単位セルは、電解質膜50はフッ素系樹脂等の固体高分子材料により形成されたプロトン導電性の膜体により形成されており、電極52および54は白金または白金と他の金属からなる合金の触媒が練り込められたカーボンクロスにより形成されている。
The
図3は、実施例のセパレータ20と図6に例示する従来例のセパレータ320とを用いて図2に例示する燃料電池スタックの単位セルを構成したときの各単位セルの性能を単位セルの電流密度と電圧との関係で示すグラフである。曲線Aは実施例のセパレータ20を用いた単位セルの性能を表し、曲線Cは従来例のセパレータ320を用いた単位セルの性能を表す。図示するように、実施例のセパレータ20を用いた単位セルは、電流密度の全般で従来例のセパレータ320を用いた単位セルより良い性能を示し、特に電流密度の高い領域において顕著な性能の向上が見られる。
3 shows the performance of each unit cell when the unit cell of the fuel cell stack illustrated in FIG. 2 is configured using the
以上説明した実施例のセパレータ20によれば、二つのU字型の流路における屈曲部にコの字型の屈曲部リブ42a〜42d(参考例),44a〜44c(参考例)を形成することにより、燃料ガスや酸化ガスが屈曲部の内周側に片寄って流れるのを防止し、外周側にも十分に流れるようにすることができる。この結果、燃料電池スタックを構成した際には、燃料ガスや酸化ガスを電極52や54により均等に供給することができ、燃料電池の性能を向上させることができる。また、屈曲部における外周側の屈曲部リブの上流側の端部を内周側の屈曲部リブのそれより下流側になるよう形成することにより、燃料ガスや酸化ガスを外周部ほど流れ込みやすくすることができる。この結果、外周部に必要な量の燃料ガスや酸化ガスを供給することができ、燃料電池の性能を更に向上させることができる。
According to the
実施例のセパレータ20では、二つのU字型の流路の屈曲部における外周側の屈曲部リブの上流側の端部を内周側の屈曲部リブのそれより下流側になるよう形成したが、図4の参考例の屈曲部リブ142a〜142d(参考例)に例示するように、屈曲部における外周側の屈曲部リブの上流側の端部を内周側の屈曲部リブのそれと同じ位置となるよう形成しても差し支えない。この変形例のセパレータを用いて単位セルを構成した際の単位セルの性能を図3の曲線Bとして示す。図示するように、変形例のセパレータを用いた単位セルは、実施例のセパレータ20ほどではないが、従来例のセパレータ320を用いた単位セルに比して著しい性能の向上が見られる。
In the
実施例のセパレータ20では、二つのU字型の流路における屈曲部に等間隔のコの字型の複数の溝を形成するようコの字型の屈曲部リブ42a〜42d(参考例),44a〜44c(参考例)を形成したが、屈曲部の外周側に形成される直線部については一体の連続したリブによってコの字型に形成する必要はなく、図5の実施例の屈曲部リブ242a〜242dに例示するように、コの字型の直線部においては複数の凸部243を形成するものとしてもかまわない。
In the
実施例では、燃料ガスや酸化ガスを電極に供給するための流路について本発明を適用したが、燃料電池スタックを冷却するためにスタック内に規則的に積層される冷却部材における冷却媒体(例えば、水)の流路について適用するものとしても良い。こうすれば、冷却部材内を冷却媒体がより均等に流れることにより冷却部材の温度分布を小さくすることができ、この結果、燃料電池の性能を向上させることができる。 In the embodiment, the present invention is applied to the flow path for supplying the fuel gas and the oxidizing gas to the electrode. However, in order to cool the fuel cell stack, a cooling medium (for example, a cooling medium regularly stacked in the stack) , Water) flow path may be applied. By so doing, the cooling medium flows more evenly in the cooling member, whereby the temperature distribution of the cooling member can be reduced, and as a result, the fuel cell performance can be improved.
以上、本発明の実施の形態について実施例を用いて説明したが、本発明はこうした実施例に何等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内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。 The embodiments of the present invention have been described using the embodiments. However, the present invention is not limited to these embodiments, and can be implemented in various forms without departing from the gist of the present invention. Of course you get.
20 セパレータ、22 燃料ガス導入孔、23 燃料ガス連絡孔、24 燃料ガス排出孔、26 酸化ガス導入孔、27 酸化ガス連絡孔、28 酸化ガス排出孔、30,32 冷却水孔、34,36,38 流路形成リブ、40 凸部、42a〜42d 屈曲部リブ、44a〜44c 屈曲部リブ、50 電解質膜、52,54 電極、142a〜142d 屈曲部リブ、242a〜242d 屈曲部リブ、243 凸部、320 従来例のセパレータ、334,336,338 流路形成リブ、340 直線リブ、342,344 凸部。 20 Separator, 22 Fuel gas introduction hole, 23 Fuel gas communication hole, 24 Fuel gas discharge hole, 26 Oxidation gas introduction hole, 27 Oxidation gas communication hole, 28 Oxidation gas discharge hole, 30, 32 Cooling water hole, 34, 36, 38 flow path forming rib, 40 convex portion, 42a to 42d bent portion rib, 44a to 44c bent portion rib, 50 electrolyte membrane, 52, 54 electrode, 142a to 142d bent portion rib, 242a to 242d bent portion rib, 243 convex portion , 320 Conventional separator, 334, 336, 338 Channel forming rib, 340 Linear rib, 342, 344 Projection.
Claims (1)
前記流体の流路を形成する凸部には、前記流体の流向を変化させるコの字型の屈曲部位において、屈曲リブが形成され、前記屈曲リブは前記部位の外周方向に向かって複数形成され、
前記屈曲リブは、前記コの字型の屈曲部位の直線部において間欠形成されている凸部を有し、
各屈曲リブに間欠形成されている前記凸部は、直線状に配列され、且つ隣り合う屈曲リブでは、前記直線状の凸部の配列方向に対して垂直方向に沿った同一直線上に重ならないようにずれて配置されることを特徴とする燃料電池用のセパレータ。 A separator for a fuel cell having a plurality of convex portions forming a fluid flow path, and forming a partition wall between unit cells when the fuel cell stack is formed by being laminated with an electrode,
A convex rib that forms the fluid flow path is formed with a bent rib at a U-shaped bent portion that changes the flow direction of the fluid, and a plurality of the bent ribs are formed in the outer peripheral direction of the portion. ,
The bending rib has a convex portion that is intermittently formed in a straight portion of the U-shaped bending portion ,
The convex portion is intermittently formed on the bending rib is arranged in a straight line, in and adjacent the bent ribs, do not overlap on the same straight line along a direction perpendicular to the arrangement direction of the linear convex portion A separator for a fuel cell, wherein the separator is disposed so as to be shifted.
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