JP5098305B2 - Fuel cell separator and fuel cell - Google Patents

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Description

本発明は、燃料電池用セパレータおよび燃料電池に係り、さらに詳しくは、燃料電池用セパレータの発電ガス流通領域に関するものである。   The present invention relates to a fuel cell separator and a fuel cell, and more particularly to a power generation gas distribution region of a fuel cell separator.

固体高分子型燃料電池は、水素を含む燃料ガスと酸素を含む酸化剤ガスとを発電ガスとして、高分子電解質膜と触媒層とガス拡散電極とから構成され、MEA(Membrane Electrode Assemble)と称される、膜−電極接合体に供給して電気化学反応をさせることにより、電気と熱を発生させる。   A solid polymer fuel cell is composed of a polymer electrolyte membrane, a catalyst layer, and a gas diffusion electrode using a fuel gas containing hydrogen and an oxidant gas containing oxygen as a power generation gas, and is referred to as MEA (Membrane Electrode Assembly). Electricity and heat are generated by supplying the membrane-electrode assembly to an electrochemical reaction.

燃料電池セルは、このMEAをアノードセパレータとカソードセパレータから成る一対の導電性のセパレータで挟持したものである。アノードセパレータのMEAと接する面のMEAのガス拡散電極に対応するガス通流領域には、燃料ガスが通流する複数の流路溝が形成されている。同様にカソードセパレータのMEAと接する面のMEAのガス拡散電極に対応するガス通流領域には、酸化剤ガスが通流する複数の流路溝が形成されている。この複数の流路溝は、各セパレータに設けられた発電ガス供給孔と発電ガス排出孔との間を接続して、MEAのガス拡散電極面にできるだけ均一に発電ガスを供給するように構成されている。   In the fuel cell, the MEA is sandwiched between a pair of conductive separators composed of an anode separator and a cathode separator. In the gas flow region corresponding to the gas diffusion electrode of the MEA on the surface in contact with the MEA of the anode separator, a plurality of flow channel grooves through which the fuel gas flows are formed. Similarly, a plurality of flow channel grooves through which an oxidant gas flows are formed in the gas flow region corresponding to the gas diffusion electrode of the MEA on the surface in contact with the MEA of the cathode separator. The plurality of flow channel grooves are configured to connect the power generation gas supply hole and the power generation gas discharge hole provided in each separator to supply the power generation gas as uniformly as possible to the gas diffusion electrode surface of the MEA. ing.

このため、燃料ガスをアノードセパレータに、酸化剤ガスをカソードセパレータに、それぞれ供給すると、発電ガスは発電ガス通流領域内の流路溝群を流れる間に、MEAを構成するガス拡散電極内に供給されて電気化学反応によって消費され、電気と熱が発生する。   For this reason, when the fuel gas is supplied to the anode separator and the oxidant gas is supplied to the cathode separator, the power generation gas flows into the gas diffusion electrode constituting the MEA while flowing through the channel groove group in the power generation gas flow region. It is supplied and consumed by electrochemical reactions, generating electricity and heat.

MEAで発電を行うためには、高分子電解質膜は十分に湿潤状態である必要があるため、発電ガスのうち少なくとも燃料ガスは、水または水蒸気と一緒に燃料電池セルに供給され、発電に利用されなかった燃料ガスと共に燃料電池セルから排出される。また、発電に際して、カソード側では電気化学反応により水が生成され、この生成水も発電に利用されなかった酸化剤ガスと一緒に燃料電池セルから排出される。   In order to generate power with MEA, the polymer electrolyte membrane needs to be in a sufficiently wet state, so at least the fuel gas of the power generation gas is supplied to the fuel cell together with water or water vapor and used for power generation. It is discharged from the fuel cell together with the fuel gas that has not been used. During power generation, water is generated by an electrochemical reaction on the cathode side, and this generated water is also discharged from the fuel cell together with an oxidant gas that has not been used for power generation.

これらの水分は、水蒸気の形態と、一部が凝縮して液体の水の状態で燃料電池セルから排出されるが、この凝縮水が流路溝の一部を閉塞してガスの流れを不均一にし、発電性能を低下させるフラッティングと呼ばれる現象が発生することがある。そこで、フラッティングを防止するために各種の工夫がなされている。   These moisture is partly condensed and discharged from the fuel cell in the form of liquid water, but this condensed water blocks a part of the flow channel and impedes gas flow. A phenomenon called flatting may occur, which makes the power generation performance uniform. Therefore, various ideas have been made to prevent flatting.

例えば、複数の流路溝がサーペンタイン状に形成されたセパレータを基本の設計思想とし、流路溝の折り返し部を格子状溝としたものがある(例えば、特許文献1参照)。   For example, a separator in which a plurality of flow channel grooves are formed in a serpentine shape is a basic design concept, and a folded portion of the flow channel grooves is a lattice-shaped groove (see, for example, Patent Document 1).

この構成により、凝縮水が流路溝の途中で凝縮して流路溝を閉塞しても、格子状溝部で再び分流されるので、格子状溝部の下流側では再び均一なガス供給が可能となる。   With this configuration, even if condensed water condenses in the middle of the channel groove and closes the channel groove, it is diverted again in the lattice groove portion, so that a uniform gas supply is possible again downstream of the lattice groove portion. Become.

しかしながら、上記従来のセパレータの構成では、格子状溝部におけるMEAとの接触面積が、他の流路溝部に比べ小さくなるために接触抵抗が大きくなり、MEA面内での電流密度分布が発生して出力性能の低下や、局所的なMEAの劣化が発生する可能性があった。そこで、接触面積の差を小さくする工夫が施されたセパレータが考案されている(例えば、特許文献2参照)。   However, in the configuration of the above conventional separator, the contact area with the MEA in the grid-like groove portion is smaller than that of other flow channel grooves, so that the contact resistance increases, and a current density distribution occurs in the MEA plane. There is a possibility that the output performance is deteriorated and the local MEA is deteriorated. In view of this, a separator has been devised to reduce the difference in contact area (see, for example, Patent Document 2).

図8は従来の燃料電池用セパレータの正面図である。前記燃料電池用セパレータの上端部に発電ガス供給孔1が、下端部に発電ガス排出孔2が設けられている。前記燃料電池用セパレータの発電ガス通流領域には、ガス拡散電極に供給する発電ガスの流路であり、直線状リブ3で形成された流路溝4が、発電ガス供給孔1と連結し、また、発電ガス排出孔2と連結して設けられている。さらに、前記流路溝4の折り返し部には、複数の島状突起5が底面から立設された窪み部6が設けられている。前記リブ3と前記島状突起5とがMEAのガス拡散電極に接触し、セパレータは該ガス拡散電極で発電された電気を集電する役割も担っている。セパレータとMEAとの接触面積を大きくするために、窪み部6は、略三角形の形をしている。
特開平10−106594号公報 特開2000−164230号公報
FIG. 8 is a front view of a conventional fuel cell separator. A power generation gas supply hole 1 is provided at the upper end of the fuel cell separator, and a power generation gas discharge hole 2 is provided at the lower end. The power generation gas flow region of the fuel cell separator is a flow path for power generation gas supplied to the gas diffusion electrode, and a flow channel groove 4 formed by the straight rib 3 is connected to the power generation gas supply hole 1. In addition, it is connected to the power generation gas discharge hole 2. Further, a recessed portion 6 in which a plurality of island-like protrusions 5 are erected from the bottom surface is provided in the folded portion of the flow channel groove 4. The rib 3 and the island-shaped protrusion 5 are in contact with the gas diffusion electrode of the MEA, and the separator also plays a role of collecting electricity generated by the gas diffusion electrode. In order to increase the contact area between the separator and the MEA, the recess 6 has a substantially triangular shape.
Japanese Patent Laid-Open No. 10-106594 JP 2000-164230 A

しかしながら、上記従来の燃料電池用セパレータでは、折り返し部とそれ以外の部分で接触面積の違いによる接触抵抗の差が充分に緩和されているとは言い難く、接触抵抗をできる限り均一にする点で改良の余地がある。   However, in the conventional fuel cell separator, it is difficult to say that the difference in contact resistance due to the difference in contact area between the folded portion and the other portions is sufficiently reduced, and the contact resistance is made as uniform as possible. There is room for improvement.

本発明は、このような事情を鑑みてなされたものであり、流路溝内の凝縮水によるフラッティングを抑制するとともに、接触抵抗の均一性を向上させ、MEA面内での電流密度分布の発生による出力性能の低下や、局所的なMEAの劣化が発生を抑制することができる燃料電池用セパレータおよび燃料電池用セルを提供することを目的にしている。   The present invention has been made in view of such circumstances, and suppresses the fluttering caused by condensed water in the flow channel groove, improves the uniformity of contact resistance, and improves the current density distribution in the MEA plane. It aims at providing the separator for fuel cells and the cell for fuel cells which can suppress generation | occurrence | production decline of output performance by generation | occurrence | production, and local degradation of MEA.

上記課題を解決するために、本発明は、複数の直線状リブで形成された流路溝群と底面から島状突起が複数立設された窪み部とが接続されて形成される流路を有し、前記島状突起は前記直線状リブよりも高さが高いことを特徴とする燃料電池用セパレータとする。   In order to solve the above problems, the present invention provides a flow path formed by connecting a channel groove group formed by a plurality of linear ribs and a recess having a plurality of island-like protrusions standing from the bottom surface. And the island-shaped protrusion has a height higher than that of the linear rib.

これにより、MEAを挟持して燃料電池セルを組んだ際、MEAに接触するリブと島状突起とで、MEAに対する接触圧力を突起部で強くすることができる。   As a result, when the fuel cell is assembled with the MEA sandwiched, the contact pressure on the MEA can be increased by the protrusions by the ribs and the island-shaped protrusions that contact the MEA.

また、本発明の燃料電池セルは、上記セパレータが、MEAを挟持する一対のセパレータのいずれか一方であり、前記突起部において前記一対のセパレータの前記膜電極接合体を挟持する隙間が狭いものである。   Further, in the fuel cell of the present invention, the separator is one of a pair of separators that sandwich the MEA, and a gap that sandwiches the membrane electrode assembly of the pair of separators in the protrusion is narrow. is there.

これにより、突起部では他の部分に比べMEAと強く接触することになるため、接触部の単位面積あたりの接触抵抗が小さくなり、MEAとの接触面積が小さくなっても、接触抵抗の分布が大きくなるのを抑制する最適な形状を設計することができる。   As a result, the projecting portion is more strongly in contact with the MEA than the other portions, so the contact resistance per unit area of the contact portion is reduced, and even if the contact area with the MEA is reduced, the contact resistance distribution is reduced. It is possible to design an optimal shape that suppresses the increase.

本発明の燃料電池用セパレータおよび燃料電池セルによれば、接触抵抗の均一性を向上させ、MEA面内での電流密度分布の発生による出力性能の低下や、局所的なMEAの劣化が発生を抑制できる。   According to the fuel cell separator and the fuel cell of the present invention, the uniformity of contact resistance is improved, the output performance is reduced due to the current density distribution in the MEA plane, and the local MEA is degraded. Can be suppressed.

第1の発明は、複数の直線状リブで形成された流路溝群と底面から島状突起が複数立設された窪み部とが接続されて形成される流路を有し、前記島状突起は前記直線状リブよりも高さが高いことを特徴とする燃料電池用セパレータとすることにより、MEAを挟持して燃料電池セルを組んだ際、MEAに接触するリブと島状突起とで、MEAに対する接触圧力を突起部で強くすることができる。   The first invention has a channel formed by connecting a channel groove group formed by a plurality of linear ribs and a recess portion in which a plurality of island-shaped protrusions are erected from the bottom surface. By forming a fuel cell separator characterized in that the protrusion is higher in height than the linear rib, when the fuel cell is assembled with the MEA sandwiched, the rib and the island-shaped protrusion contact the MEA. The contact pressure against the MEA can be increased by the protrusion.

第2の発明は、第1の発明に加えて、前記流路溝群と前記窪み部とが接続されて形成される流路は、サーペンタイン状とする燃料電池用セパレータとするものである。   According to a second invention, in addition to the first invention, a flow path formed by connecting the flow path groove group and the recess is a serpentine-like fuel cell separator.

第3の発明は、第1または第2の発明に加えて、前記窪み部に接続した前記リブの端部から離れた島状突起のほうが、前記端部に近い島状突起に比べて、高さを高くしたことによって、MEAを挟持した際に、リブと島状突起の段差でMEAが屈曲することを抑制することが可能である。   In the third invention, in addition to the first or second invention, the island-shaped protrusions far from the end portions of the ribs connected to the recessed portions are higher than the island-shaped protrusions close to the end portions. By increasing the height, it is possible to prevent the MEA from being bent at the level difference between the rib and the island-shaped protrusion when the MEA is sandwiched.

第4の発明は、第3の発明に加えて、前記島状突起の前記窪み部の底面と略平行な上面を、前記窪み部に接続した前記リブの端部から離れるにつれて高さが高くなるように傾斜させたことにより、島状突起上面のエッジ部でMEAに荷重が集中することを抑制することが可能である。   In addition to the third aspect, the fourth aspect of the invention increases in height as the upper surface of the island-shaped protrusion that is substantially parallel to the bottom surface of the depression is away from the end of the rib connected to the depression. By inclining in this way, it is possible to prevent the load from concentrating on the MEA at the edge portion of the upper surface of the island-shaped protrusion.

第5の発明は、第1から4のいずれか1つの発明のセパレータがMEAを挟持する一対のセパレータのいずれか一方であり、前記突起部において前記一対のセパレータの前記膜電極接合体を挟持する隙間が狭いものであるため、突起部で他の部分に比べMEAと強く接触して、接触抵抗の分布が大きくなるのを抑制することができる。   In a fifth aspect of the present invention, the separator according to any one of the first to fourth aspects is any one of a pair of separators sandwiching the MEA, and the membrane electrode assembly of the pair of separators is sandwiched at the protrusions. Since the gap is narrow, it is possible to suppress the protrusion from coming into strong contact with the MEA as compared with the other portions and increasing the distribution of contact resistance.

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明するが、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。なお、従来例と同一の部分については、同一符号を付してその説明を省略する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings, but the present invention is not limited to the embodiments. In addition, about the part same as a prior art example, the same code | symbol is attached | subjected and the description is abbreviate | omitted.

(実施の形態1)
図1は、本発明の実施の形態1における燃料電池セルを分解して模式的に表した分解図である。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is an exploded view schematically showing an exploded view of a fuel battery cell according to Embodiment 1 of the present invention.

図1に示すように、燃料電池セル10は一対のガス拡散電極11で両面に触媒層(図示せず)を備えた高分子電解質膜12を挟んで構成したMEA13を、一対のアノード側セパレータ20とカソード側セパレータ30とで挟み込んで構成されている。   As shown in FIG. 1, the fuel battery cell 10 includes an MEA 13 having a pair of gas diffusion electrodes 11 sandwiching a polymer electrolyte membrane 12 having a catalyst layer (not shown) on both surfaces, and a pair of anode separators 20. And a cathode-side separator 30.

アノード側セパレータ20,カソード側セパレータ30およびMEA13には、外部から水素を含む燃料ガスを導入するための燃料ガス供給孔14と、発電に使用されなかった燃料ガスを外部に排出するための燃料ガス排出孔15と、酸素を含む酸化剤ガスを外部から導入するための酸化剤ガス供給孔16と、発電に使用されなかった酸化剤ガスを外部に排出するための酸化剤ガス排出孔17とが、外周近傍の燃料電池セルを組み立てた際に貫通するように設けられている。   The anode-side separator 20, the cathode-side separator 30 and the MEA 13 have a fuel gas supply hole 14 for introducing a fuel gas containing hydrogen from the outside, and a fuel gas for discharging a fuel gas not used for power generation to the outside. An exhaust hole 15, an oxidant gas supply hole 16 for introducing an oxidant gas containing oxygen from the outside, and an oxidant gas discharge hole 17 for discharging an oxidant gas that has not been used for power generation to the outside. The fuel cell in the vicinity of the outer periphery is provided so as to penetrate when assembled.

アノード側セパレータ20のガス拡散電極11と接する面には、燃料ガス供給孔14と燃料ガス排出孔15とを接続し、燃料ガスをガス拡散電極11に均一に分配して通流させる燃料ガス通流領域21(図1のアノード側セパレータ20内の二点破線で囲んだ領域で、図1では実際は、見えない面にあるために点線で構成を示す)が形成されている。なお、燃料ガス通流領域21の構成は、後程詳しく説明する。   A fuel gas supply hole 14 and a fuel gas discharge hole 15 are connected to the surface of the anode-side separator 20 in contact with the gas diffusion electrode 11 so that the fuel gas is uniformly distributed to the gas diffusion electrode 11 to flow therethrough. A flow region 21 (a region surrounded by a two-dot broken line in the anode-side separator 20 in FIG. 1 is actually shown in FIG. 1 because it is in a non-visible surface and is indicated by a dotted line). The configuration of the fuel gas flow region 21 will be described in detail later.

また、カソード側セパレータ30のガス拡散電極11と接する面には、酸化剤ガス供給孔16と酸化剤ガス排出孔17とを接続し、酸化剤ガスをガス拡散電極11に均一に通流させる酸化剤ガス通流領域31(図1のカソード側セパレータ30内の二点破線で囲んだ領域)が形成されている。なお、酸化剤ガス通流領域31の構成は、後程詳しく説明する。   Further, an oxidant gas supply hole 16 and an oxidant gas discharge hole 17 are connected to the surface of the cathode-side separator 30 in contact with the gas diffusion electrode 11, so that the oxidant gas flows uniformly through the gas diffusion electrode 11. An agent gas flow region 31 (a region surrounded by a two-dot broken line in the cathode-side separator 30 in FIG. 1) is formed. The configuration of the oxidant gas flow region 31 will be described in detail later.

また、MEA13には、燃料ガス供給孔14,燃料ガス排出孔15,酸化剤ガス供給孔16,酸化剤ガス排出孔17およびガス拡散電極11の外周部に、アノード側セパレータまたはカソード側セパレータにより挟持され、締結圧力が加えられた際に、発電ガス(燃料ガスおよび酸化剤ガス)が所定の一方の面の発電ガス通流領域(燃料ガス通流領域21または酸化剤ガス通流領域31)にのみに供給され、他方の面や外部に漏れないようにするシール部18が設けてある。   Further, the MEA 13 is sandwiched by the anode-side separator or the cathode-side separator around the fuel gas supply hole 14, the fuel gas discharge hole 15, the oxidant gas supply hole 16, the oxidant gas discharge hole 17, and the gas diffusion electrode 11. When the fastening pressure is applied, the power generation gas (fuel gas and oxidant gas) enters the power generation gas flow region (the fuel gas flow region 21 or the oxidant gas flow region 31) on one predetermined surface. The seal portion 18 is provided so as not to leak to the other surface or the outside.

なお、燃料電池セル10の温度を適温に保つために、アノード側セパレータ20およびカソード側セパレータ30の少なくとも一方の、MEA13と接しない面には、冷却流体が通流する構造が設けてあるが、ここでは冷却流体の通流構造については詳細な説明を省く。   In order to keep the temperature of the fuel cell 10 at an appropriate temperature, at least one of the anode-side separator 20 and the cathode-side separator 30 is provided with a structure through which a cooling fluid flows on the surface not in contact with the MEA 13. Here, a detailed description of the cooling fluid flow structure is omitted.

次に、アノード側セパレータ20およびカソード側セパレータ30に配設された燃料ガス通流領域21および酸化剤ガス通流領域31の構成について、図を参照して詳しく述べる。   Next, the configuration of the fuel gas flow region 21 and the oxidant gas flow region 31 disposed in the anode side separator 20 and the cathode side separator 30 will be described in detail with reference to the drawings.

図2は、本実施の形態1のアノード側セパレータの正面図であり、図3は本実施の形態1のカソード側セパレータの正面図、図4は燃料電池セルを、図2におけるA−A断面で切断した断面図である。   2 is a front view of the anode-side separator according to the first embodiment, FIG. 3 is a front view of the cathode-side separator according to the first embodiment, FIG. 4 is a fuel cell, and a cross section taken along the line AA in FIG. It is sectional drawing cut | disconnected by.

図2に示すように、燃料ガス通流領域21は、直線状リブ22で区画された流路溝23が複数集まった流路溝群が、少なくとも一つの窪み部24を経由して燃料ガス供給孔14と燃料ガス排出孔15とを接続して形成される。すなわち図2に示すように、流路群23aが燃料ガス供給孔14と窪み部24aとを接続し、さらに別の流路群23bが窪み部24aで180度折り返すようにして窪み部24bと接続するといったことを繰り返し、燃料ガス排出孔に接続される。   As shown in FIG. 2, in the fuel gas flow region 21, a flow channel group in which a plurality of flow channels 23 partitioned by linear ribs 22 are gathered is supplied with fuel gas via at least one recess 24. It is formed by connecting the hole 14 and the fuel gas discharge hole 15. That is, as shown in FIG. 2, the channel group 23a connects the fuel gas supply hole 14 and the recess 24a, and another channel group 23b is connected to the recess 24b so that the recess 24a is folded back 180 degrees. This is repeated and connected to the fuel gas discharge hole.

また、図4に示すように、流路溝23と直線状リブ22との断面は、均一なピッチおよび均等な幅、さらには均等な段差を有し、MEA13のガス拡散電極11と直線状リブ22の上面で同一の接触圧で接している。   Further, as shown in FIG. 4, the cross section of the flow channel groove 23 and the straight rib 22 has a uniform pitch, a uniform width, and a uniform step, and the gas diffusion electrode 11 of the MEA 13 and the straight rib. The upper surface of 22 is in contact with the same contact pressure.

また、この窪み部24は、底面が流路溝23の底面と同一平面であり、窪み部24と流路溝群との境界、および燃料ガス通流領域21の外周との境界から略三角形の形状を成している。すなわち、窪み部を略四角形にするよりも直線状リブ22の長さを長く取れる工夫が施してある。   Further, the recess 24 has a bottom surface that is flush with the bottom surface of the flow channel 23, and has a substantially triangular shape from the boundary between the recess 24 and the flow channel group and the outer periphery of the fuel gas flow region 21. It has a shape. In other words, the linear rib 22 can be made longer than the hollow portion having a substantially rectangular shape.

さらに窪み部24の底面からは、島状に配置された複数の島状突起25が、直線状リブ22の延長線上に直線状リブ22のピッチと均一なピッチで、かつ直線状リブ22の幅と均一な幅で立設されている。さらに、この島状突起25の高さH1は、直線状リブ22の高さh1よりも高く形成されている。なお、本実施の形態1のアノード側セパレータでは、島状突起25はすべて同じ形状を有している。   Further, from the bottom surface of the recess 24, a plurality of island-like protrusions 25 arranged in an island shape are on the extension line of the linear rib 22 with a pitch equal to the pitch of the linear rib 22 and the width of the linear rib 22. It is erected with a uniform width. Further, the height H <b> 1 of the island-shaped protrusion 25 is formed higher than the height h <b> 1 of the linear rib 22. In the anode-side separator according to the first embodiment, all the island-shaped protrusions 25 have the same shape.

この構成により、アノード側セパレータ20に燃料ガスを水分(水または水蒸気)と共に供給しても、流路溝23の一部が供給した水や水蒸気が凝縮した凝縮水によって閉塞され、有効な流路溝数が減少しても、次の窪み部24の下流では、再び元の流路溝数に復帰することが可能であるため、燃料ガス通流領域の有効面積が低下するのを抑制することが可能である。   With this configuration, even if the fuel gas is supplied to the anode separator 20 together with moisture (water or water vapor), it is blocked by the water supplied by a part of the channel groove 23 or the condensed water condensed with water vapor, so that an effective flow channel Even if the number of grooves is reduced, it is possible to return to the original number of flow channel grooves again downstream of the next depression 24, so that the effective area of the fuel gas flow area is prevented from decreasing. Is possible.

図3に示すように、カソード側セパレータ30は、アノード側セパレータ20と略同様の構成、形状をしているが、本実施の形態1では酸化剤ガスとして空気を用いたため、燃料ガスよりも多量のガス流量が必要となり、圧力損失の増加やガス拡散性の低下の問題があるために、アノード側セパレータ20よりも一つの流路群を構成する流路溝33の本数を多くし、全体の流路長がアノード側セパレータ20よりも短くなっている点でアノード側セパレータ20と異なる。すなわち、流路溝33のターン部(窪み部34)の数も、アノード側セパレータ20の窪み部24よりも少ない。また、これはカソード側では発電に際して発生した水分が排出されるために、発電に使われなかった空気と一緒に凝縮水を排水する必要があることも考慮に入れている。   As shown in FIG. 3, the cathode-side separator 30 has substantially the same configuration and shape as the anode-side separator 20, but in the first embodiment, air is used as the oxidant gas, so that it is larger than the fuel gas. Therefore, the number of flow channel grooves 33 constituting one flow channel group is larger than that of the anode-side separator 20, and the overall flow rate of the gas is increased. It differs from the anode side separator 20 in that the flow path length is shorter than the anode side separator 20. That is, the number of turn portions (recess portions 34) of the flow channel 33 is also smaller than that of the recess portions 24 of the anode separator 20. This also takes into account the fact that the water generated during power generation is discharged on the cathode side, so that it is necessary to drain condensed water together with air that was not used for power generation.

なお、本実施の形態1のカソード側セパレータ30の直線状リブ32および島状突起35は、燃料電池セルを組み立てた際に、アノード側セパレータ20の直線状リブ22および島状突起25に対応するように考慮して設計されている。   The linear ribs 32 and the island-shaped protrusions 35 of the cathode-side separator 30 of the first embodiment correspond to the linear ribs 22 and the island-shaped protrusions 25 of the anode-side separator 20 when the fuel cell is assembled. Designed to take into account.

しかしながら、ガス拡散電極11とアノード側セパレータ20およびカソード側セパレータ30の接触面積との接触面積という観点では、流路溝を非連続にすることによって、接触面積が低下することとなり、非連続の形状としただけでは接触面積の低下から接触抵抗の増大につながることになる。   However, from the viewpoint of the contact area between the gas diffusion electrode 11 and the contact areas of the anode-side separator 20 and the cathode-side separator 30, the contact area is reduced by discontinuous the flow channel, and the discontinuous shape If only, it will lead to an increase in contact resistance due to a decrease in contact area.

しかし、アノード側セパレータ20とカソード側セパレータ30とを用いてMEA13を挟持し、図示しない締結構造によって燃料電池セルの積層面全面を略均一の締結力で締結してやると、MEA13のガス拡散電極11は、島状突起25で直線状リブ22よりも高い接触圧でアノード側セパレータ20と接触させることができる。カソード側セパレータ30でも同様に、島状突起での接触圧の方がリブでの接触圧よりも高くすることができる。   However, when the MEA 13 is sandwiched between the anode-side separator 20 and the cathode-side separator 30 and the entire stacked surface of the fuel cells is fastened with a substantially uniform fastening force by a fastening structure (not shown), the gas diffusion electrode 11 of the MEA 13 The island-shaped protrusion 25 can be brought into contact with the anode-side separator 20 with a contact pressure higher than that of the linear rib 22. Similarly, in the cathode-side separator 30, the contact pressure at the island-shaped protrusion can be made higher than the contact pressure at the rib.

図5に、本実施の形態1に用いたガス拡散電極11に、アノード側セパレータ20およびカソード側セパレータの材料であるカーボン製の円柱を、接触圧を変化させながら接触させた際の接触抵抗の変化を測定した実験結果を示す。   FIG. 5 shows the contact resistance when a carbon cylinder, which is the material of the anode side separator 20 and the cathode side separator, is brought into contact with the gas diffusion electrode 11 used in Embodiment 1 while changing the contact pressure. The experimental result which measured change is shown.

図5に示すように、接触圧を大きくすることにより接触抵抗は低下し、ある程度(図5中の接触圧が約6kgf/cm2くらいのところ)まで接触圧を上げると、接触抵抗の低下は緩やかになる。   As shown in FIG. 5, the contact resistance decreases by increasing the contact pressure, and when the contact pressure is increased to a certain degree (where the contact pressure is about 6 kgf / cm 2 in FIG. 5), the decrease in the contact resistance is moderate. become.

一般的に燃料電池セルは、燃料電池セルの積層面(MEAの主面に対応する面)全面に、略均一で、ガス拡散電極とセパレータとの接触抵抗が小さくなる強さの圧力が印加されるように、図示しない締結構造によって締結してある。   In general, a fuel cell is applied with a pressure that is substantially uniform and reduces the contact resistance between the gas diffusion electrode and the separator across the entire stack surface of the fuel cell (the surface corresponding to the main surface of the MEA). As shown, the fastening structure is not shown.

しかし一方で、締結圧を強くして接触抵抗を小さくするには、締結構造の複雑化や耐圧縮性などに対する強度アップによる材料のコストアップなどがあるため、ガス拡散電極とリブとの接触圧は、接触抵抗の低下が緩やかになる編曲点に近い強さ(図5中の接触圧が約6kgf/cm2くらいのところ)の接触圧になるように、締結した際のアノード側セパレータとカソード側セパレータとの隙間距離を設計している。   On the other hand, increasing the fastening pressure and reducing the contact resistance involves increasing the cost of the material by increasing the strength of the fastening structure and compressing resistance, etc., so the contact pressure between the gas diffusion electrode and the rib Is the anode side separator and cathode side when fastened so that the contact pressure becomes a strength close to the bending point (where the contact pressure in FIG. 5 is about 6 kgf / cm 2) where the contact resistance decreases gradually. The gap distance with the separator is designed.

よって、島状突起の高さをリブの高さよりも高くして、締結した際に接触圧が大きく、接触抵抗が小さくなるようにすることによって、リブを非連続にしたことにより発生する接触面積の低下による接触抵抗の増加を抑制することが可能である。接触面積が低下した分をすべて接触圧の向上で補うことは困難であるが、接触抵抗の増加を抑制して面内での均一性を向上させ、MEA面内での電流密度分布の発生による出力性能の低下や、局所的なMEAの劣化が発生を抑制するができる。   Therefore, the contact area generated when the ribs are discontinuous by making the height of the island-shaped protrusions higher than the height of the ribs to increase the contact pressure and reduce the contact resistance when fastened. It is possible to suppress an increase in contact resistance due to a decrease in. Although it is difficult to compensate for the decrease in the contact area by improving the contact pressure, the increase in contact resistance is suppressed to improve in-plane uniformity, and the current density distribution in the MEA plane is generated. It is possible to suppress the occurrence of degradation in output performance and local MEA degradation.

なお、本実施の形態1では、流路群のターン部をすべて、窪み部と島状突起から成る非連続的な構成としたが、一部をサーペンタイン状の流路溝として連続的な流路とした場合にも、同様の効果が得られる。   In the first embodiment, all the turn parts of the flow path group have a non-continuous configuration including the depressions and the island-shaped protrusions. However, a continuous flow path is partially formed as a serpentine-shaped flow path groove. The same effect can be obtained also in this case.

(実施の形態2)
図6は、本発明の実施の形態2における燃料電池用セパレータを示す図であり、(a)は燃料電池用セパレータの主要部の正面図、(b)および(c)はそれぞれ(a)におけるB−B線断面,C−C線断面の主要部の断面図である。
(Embodiment 2)
FIG. 6 is a diagram showing a fuel cell separator according to Embodiment 2 of the present invention, in which (a) is a front view of the main part of the fuel cell separator, and (b) and (c) are respectively in (a). It is sectional drawing of the principal part of a BB line cross section and CC line cross section.

図6に示すように、本実施の形態の燃料電池用セパレータは、実施の形態1で示した燃料電池用セパレータと、島状突起の高さがリブから離れるにしたがって徐々に高くなっている点で異なる。すなわち、図6(b)および(c)に示すように、B−B線断面で見ると、リブ41の高さをh1とすると、h2、h3、h4、h5の順に島状突起42の高さが高くなり、また、C−C線断面で見ても、h1に対し、H2、H3の順に島状突起42の高さが高くなっている。   As shown in FIG. 6, the fuel cell separator of the present embodiment is different from the fuel cell separator of the first embodiment in that the height of the island-shaped protrusions gradually increases as the distance from the rib increases. It is different. That is, as shown in FIGS. 6B and 6C, when viewed from the cross section taken along line BB, if the height of the rib 41 is h1, the height of the island-shaped protrusions 42 is in the order of h2, h3, h4, h5. Further, even when viewed in the cross section along the line CC, the height of the island-like protrusions 42 is higher in the order of H2 and H3 than h1.

この構成により、MEAを挟持して燃料電池セルとして組み立て、締結圧を付加した際、MEAがリブと島状突起の高さの差によって屈曲することを抑制することができる。そのため、MEAの屈曲による高分子電解質膜とガス拡散電極,触媒層との剥離や、高分子電解質膜の破損によるアノード側とカソード側とのクロスリークといったことの発生を抑制し、信頼性の高い燃料電池セルを提供することができる。   With this configuration, when the MEA is sandwiched and assembled as a fuel cell and a fastening pressure is applied, the MEA can be prevented from bending due to the difference in height between the rib and the island-shaped protrusion. For this reason, the occurrence of peeling between the polymer electrolyte membrane, the gas diffusion electrode, and the catalyst layer due to bending of the MEA, and the cross leak between the anode side and the cathode side due to breakage of the polymer electrolyte membrane is suppressed, and the reliability is high. A fuel battery cell can be provided.

(実施の形態3)
図7は、本発明の実施の形態3における燃料電池用セパレータを示す図であり、(a)は燃料電池用セパレータの主要部の正面図、(b)は、(a)におけるD−D線断面の主要部の断面図である。
(Embodiment 3)
FIG. 7 is a diagram showing a fuel cell separator according to Embodiment 3 of the present invention, in which (a) is a front view of the main part of the fuel cell separator, and (b) is a DD line in (a). It is sectional drawing of the principal part of a cross section.

図7に示すように、本実施の形態の燃料電池用セパレータは、実施の形態2で示した燃料電池用セパレータと、島状突起の上面がリブの端部から離れるにつれて高さが高くなるように傾斜している点で異なる。   As shown in FIG. 7, the fuel cell separator of the present embodiment and the fuel cell separator shown in the second embodiment and the height of the island-shaped protrusions are increased as the distance from the end of the rib increases. It is different in that it is inclined to.

この構成により、先に示す実施の形態2の燃料電池用セパレータよりも、MEAを挟持して燃料電池セルとして組み立て、締結圧を付加した際、MEAがリブと島状突起の高さの差によって屈曲することを抑制することができるため、信頼性の高い燃料電池セルを提供することができる。   With this configuration, when the MEA is sandwiched and assembled as a fuel cell, and the fastening pressure is applied, compared to the fuel cell separator of the second embodiment described above, the MEA has a difference in height between the rib and the island-shaped protrusion. Since bending can be suppressed, a highly reliable fuel cell can be provided.

本発明による燃料用電池セパレータは、接触抵抗の均一性を向上させ、MEA面内での電流密度分布の発生による出力性能の低下や、局所的なMEAの劣化が発生を改善でき、例えば、固体高分子型燃料電池に適用可能である。   The fuel cell separator according to the present invention can improve the uniformity of contact resistance, improve the output performance due to the occurrence of current density distribution in the MEA plane, and improve the occurrence of local MEA degradation. It can be applied to a polymer fuel cell.

本発明の実施の形態1の燃料電池セルを分解して模式的に表した分解図1 is an exploded view schematically showing a fuel battery cell according to Embodiment 1 of the present invention. 同実施の形態のアノード側セパレータの正面図Front view of anode separator of same embodiment 同実施の形態のカソード側セパレータの正面図Front view of cathode side separator of same embodiment 同実施の形態の燃料電池セルの主要部の断面図Sectional drawing of the principal part of the fuel cell of the embodiment ガス拡散層とカーボン材との接触圧と接触抵抗の関係を示す実験結果を示す図The figure which shows the experimental result which shows the relationship between the contact pressure and contact resistance of the gas diffusion layer and the carbon material (a)本発明の実施の形態2の燃料電池用セパレータの主要部の正面図(b)図6(a)におけるB−B線断面の主要部の断面図(c)図6(a)におけるC−C線断面の主要部の断面図(A) Front view of main part of separator for fuel cell according to Embodiment 2 of the present invention (b) Cross-sectional view of main part taken along line BB in FIG. 6 (a) (c) In FIG. 6 (a) Sectional drawing of the principal part of a CC line cross section (a)本発明の実施の形態3の燃料電池用セパレータの主要部の正面図(b)図7(a)におけるD−D線断面の主要部の断面図(A) Front view of main part of separator for fuel cell according to Embodiment 3 of the present invention (b) Cross-sectional view of main part taken along line DD in FIG. 7 (a) 従来の燃料電池用セパレータの正面図Front view of a conventional fuel cell separator

符号の説明Explanation of symbols

10 燃料電池セル
11 ガス拡散電極
12 高分子電解質膜
13 MEA
14 燃料ガス供給孔
15 燃料ガス排出孔
16 酸化剤ガス供給孔
17 酸化剤ガス排出孔
20 アノード側セパレータ
21 燃料ガス通流領域
22,32,41 リブ
23,33 流路溝
24,34 窪み部
25,35,42 島状突起
h1 リブの高さ
h2,h3,h4,h5,H1,H2,H3 突起の高さ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Fuel cell 11 Gas diffusion electrode 12 Polymer electrolyte membrane 13 MEA
DESCRIPTION OF SYMBOLS 14 Fuel gas supply hole 15 Fuel gas discharge hole 16 Oxidant gas supply hole 17 Oxidant gas discharge hole 20 Anode side separator 21 Fuel gas flow area 22, 32, 41 Rib 23, 33 Channel groove 24, 34 Depression 25 , 35, 42 Island-shaped protrusions h1 Rib height h2, h3, h4, h5, H1, H2, H3 Height of protrusion

Claims (5)

複数の直線状リブで形成された流路溝群と底面から島状突起が複数立設された窪み部とが接続されて形成される流路を有し、前記島状突起は前記直線状リブよりも高さが高いことを特徴とする燃料電池用セパレータ。   A channel groove group formed by a plurality of linear ribs and a recess formed by connecting a plurality of island-shaped protrusions from the bottom are connected to each other, and the island protrusions are the linear ribs. A fuel cell separator characterized by having a height higher than that of the fuel cell. 前記流路溝群と前記窪み部とが接続されて形成される流路は、サーペンタイン状とする請求項1に記載の燃料電池用セパレータ。   2. The fuel cell separator according to claim 1, wherein a flow path formed by connecting the flow path groove group and the recess is a serpentine shape. 複数の前記島状突起は、前記窪み部に接続した前記直線状リブの端部から離れた島状突起のほうが、前記端部に近い島状突起に比べて、高さが高くなっていることを特徴とする請求項1または2に記載の燃料電池用セパレータ。   The plurality of island-shaped protrusions are higher in height than the island-shaped protrusions that are separated from the end portions of the linear ribs that are connected to the recessed portions, as compared to the island-shaped protrusions that are close to the end portions. The fuel cell separator according to claim 1 or 2. 前記島状突起は、前記窪み部の底面と略平行な上面が、前記窪み部に接続した前記直線状リブの端部から離れるにつれて、高さが高くなるように傾斜させたことを特徴とする請求項3に記載の燃料電池用セパレータ。   The island-shaped protrusions are inclined so that an upper surface substantially parallel to a bottom surface of the recess portion becomes higher as the distance from an end portion of the linear rib connected to the recess portion increases. The fuel cell separator according to claim 3. 膜電極接合体を挟持する一対のセパレータからなる燃料電池セルであって、請求項1から4のいずれか一項に記載セパレータが一対のセパレータのいずれか一方であり、前記島状突起により前記一対のセパレータの前記膜電極接合体を挟持する隙間が、前記島状突起を有しない部分における前記膜電極接合体を挟持する隙間よりも狭くしたことを特徴とする燃料電池セル。   5. A fuel cell comprising a pair of separators sandwiching a membrane electrode assembly, wherein the separator is any one of a pair of separators, and the pair of island-shaped protrusions causes the pair of separators. A fuel cell, wherein a gap for sandwiching the membrane electrode assembly of the separator is narrower than a gap for sandwiching the membrane electrode assembly in a portion not having the island-shaped protrusions.
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