JP5247290B2

JP5247290B2 - Fuel cell separator

Info

Publication number: JP5247290B2
Application number: JP2008203796A
Authority: JP
Inventors: 陽介千葉
Original assignee: Chino Corp
Current assignee: Chino Corp
Priority date: 2008-08-07
Filing date: 2008-08-07
Publication date: 2013-07-24
Anticipated expiration: 2028-08-07
Also published as: JP2010040403A

Description

本発明は、燃料電池用のセパレータに関するものであり、特に単セルを直列に積層した場合の動作状況を試験する際に用いられるセパレータの構造に関する。 The present invention relates to a separator for a fuel cell, and more particularly to a structure of a separator used when testing an operation state when single cells are stacked in series.

石油資源の枯渇への不安、地球環境への関心の高まり等を背景に、燃料電池の実用化への取り組みが熱心に行われている。この燃料電池とは、例えば水素やメタノールといった燃料を酸化剤と電気化学的に反応させることで電流を得る仕組みであり、その発電効率の高さと、生成物が水のみというクリーンさとが注目を集めている。 Against the backdrop of concerns about the depletion of petroleum resources and increased interest in the global environment, efforts to commercialize fuel cells are being enthusiastically made. This fuel cell is a mechanism for obtaining an electric current by electrochemically reacting a fuel such as hydrogen or methanol with an oxidant, and has attracted attention for its high power generation efficiency and the cleanness that the product is only water. ing.

図４に示すのは燃料電池の構造を説明する概略図である。燃料電池の構造は以下の通りである。
イオン交換を行う電解質膜５１は、燃料極（アノード）５２及び空気極（カソード）５３によって挟持される。これが、膜電極接合体（MEA）５４であり、このMEA５４を、流路ユニットを有するセパレータ５５で挟持したものを単セル５６と呼ぶ。 FIG. 4 is a schematic diagram illustrating the structure of the fuel cell. The structure of the fuel cell is as follows.
The electrolyte membrane 51 that performs ion exchange is sandwiched between a fuel electrode (anode) 52 and an air electrode (cathode) 53. This is a membrane electrode assembly (MEA) 54, and this MEA 54 sandwiched by a separator 55 having a flow path unit is called a single cell 56.

燃料電池の原理は図５の模式図に示す通りである。まず、セパレータ５５に燃料及び酸化剤を流入する。これによって、燃料極５２に燃料が、空気極５３には酸素が供給される。ここでは、燃料として水素を用いた場合を想定する。水素が燃料極５２へ供給されると、燃料極５２において水素イオンと電子が生成される。生成された水素イオンは、矢印５７が表すように、電解質膜５１を透過し空気極５３へと移動する。同時に、生成された電子は外部回路を経由して空気極５３へと伝達される。このとき電子の流れである電流が生じる。空気極５３においては、移動してきた水素イオンと電子が、供給された酸素と結合して水が生成される。 The principle of the fuel cell is as shown in the schematic diagram of FIG. First, a fuel and an oxidant are introduced into the separator 55. As a result, fuel is supplied to the fuel electrode 52 and oxygen is supplied to the air electrode 53. Here, it is assumed that hydrogen is used as the fuel. When hydrogen is supplied to the fuel electrode 52, hydrogen ions and electrons are generated in the fuel electrode 52. The generated hydrogen ions pass through the electrolyte membrane 51 and move to the air electrode 53 as indicated by an arrow 57. At the same time, the generated electrons are transmitted to the air electrode 53 via an external circuit. At this time, an electric current that is a flow of electrons is generated. In the air electrode 53, the hydrogen ions and electrons that have moved are combined with the supplied oxygen to generate water.

以上の仕組みで電力を得ることができる燃料電池は、自動車や携帯電話等への利用が期待されているが、単セルのみの起電力では電池としては不十分である。このため、より大きな電力を得ることを目的として、セパレータを介装し、単セルを積層することが一般的に行われている。単セルを積層したものを、積層体（セルスタック）と言う。 A fuel cell capable of obtaining electric power with the above mechanism is expected to be used for automobiles, mobile phones, and the like, but an electromotive force of only a single cell is insufficient as a battery. For this reason, for the purpose of obtaining larger electric power, it is common practice to interpose a separator and stack single cells. A stack of single cells is called a stack (cell stack).

介装するためのセパレータの形状としては、たとえば以下のものが知られている。（特許文献１参照） As the shape of the separator for interposing, the following are known, for example. (See Patent Document 1)

セパレータを、燃料ガス流路溝を備えた陽極側ガスプレートと、酸化剤ガス流路溝を備えた陰極側ガスプレートと、該二枚のガスプレートに挟持される中間プレートとで構成する。そして、中間プレートに、ガス流路溝のプレス加工により形成される隆起部を収容する枠孔を形成するとともに、該枠孔の周囲の通気孔と、各ガスプレートのガス流路溝の両端に形成されるガス通過口とを連通させる連絡流路を形成した。 The separator is constituted by an anode side gas plate provided with a fuel gas passage groove, a cathode side gas plate provided with an oxidant gas passage groove, and an intermediate plate sandwiched between the two gas plates. Then, the intermediate plate is formed with a frame hole that accommodates the raised portion formed by pressing the gas flow channel groove, and at the both ends of the gas flow channel groove of each gas plate and the air hole around the frame hole. A communication channel that communicates with the formed gas passage was formed.

特開２００７−１２３８２号公報JP 2007-12382 A

しかしながら、上記の例のように、流路がセパレータ本体にプレス加工されるセパレータの場合、これを挟持する二つの単セルにおいて、各単セルの流路への接触状態が均等ではない場合があった。すなわち、二つの単セルのうち一つの単セルが、他方の単セルに比べ強い力で流路へ押圧されることがしばしば起きた。これにより、各単セルにおける反応の進行状況が不均衡となり、二つの単セルを積層して性能を試験する際に特に問題であった。 However, as in the above example, in the case of a separator in which the flow path is pressed into the separator body, the contact state of each single cell with the flow path may not be uniform in the two single cells sandwiching the flow path. It was. That is, it frequently occurred that one of the two single cells was pressed into the flow path with a stronger force than the other single cell. As a result, the progress of the reaction in each single cell becomes unbalanced, which is particularly problematic when the performance is tested by stacking two single cells.

本発明は、このような従来の構成が有していた問題を解決しようとするものであり、セパレータが介装する二つのセルの流路ユニットへの押圧を等しくさせることで、各セルが均等に流路に接触することが可能な燃料電池用セパレータの構造を実現することを目的とするものである。 The present invention is intended to solve the problem of such a conventional configuration, and by equalizing the pressure applied to the flow path units of the two cells interposed by the separator, each cell is evenly distributed. An object of the present invention is to realize a structure of a separator for a fuel cell that can be in contact with a flow path.

請求項１記載の燃料電池用セパレータは、電解質膜と、これを挟持する一対の電極とから成る膜電極接合体と、前記電極へ燃料又は酸化剤を供給する流路ユニットを有すると共に複数の前記膜電極接合体間に介装される燃料電池用セパレータと、を備える燃料電池において、前記燃料電池用セパレータに収容される前記流路ユニットは、燃料電池用セパレータの収容口内で可動であることを特徴とする。 The fuel cell separator according to claim 1 includes a membrane electrode assembly including an electrolyte membrane and a pair of electrodes sandwiching the electrolyte membrane, and a flow path unit that supplies fuel or an oxidant to the electrodes. A fuel cell separator interposed between the membrane electrode assemblies, wherein the flow path unit accommodated in the fuel cell separator is movable within an accommodation port of the fuel cell separator. Features.

本発明に係るセパレータの構造によれば、このセパレータが介装する二つの単セルを等しい押圧で流路と接触させることが可能であり、よって、両セルにおける反応の進行をほぼ同一にすることができる。これは性能試験などにおいて、各セルの条件を同一にして性能を検証する場合などに特に有効である。 According to the structure of the separator according to the present invention, it is possible to bring the two single cells interposed by the separator into contact with the flow path with equal pressure, and therefore the progress of the reaction in both cells is made substantially the same. Can do. This is particularly effective in performance tests and the like when verifying performance with the same conditions for each cell.

本発明の実施の形態を図１〜図３を基に説明する。図１は本発明に係るセパレータが採用される燃料電池の構造を説明する図であり、図２（ａ）は本発明に係るセパレータを表す図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）をＡ−Ａの線で断面にした側断面図であり、図３は流路ユニットの動きを説明する図である。 An embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 1 is a diagram for explaining the structure of a fuel cell in which the separator according to the present invention is employed, FIG. 2 (a) is a diagram showing the separator according to the present invention, and FIG. 2 (b) is a diagram of FIG. ) Is a cross-sectional side view taken along the line AA, and FIG.

まず、図１に基づいて本発明に係るセパレータが採用される燃料電池の構造について説明する。燃料電池１は、セパレータ本体２と、このセパレータ本体２に収容される流路ユニット３と、この流路ユニット３に流入される燃料又は酸化剤と反応する膜電極接合体４と、この膜電極接合体４をセパレータ本体２との間で挟持するセパレータプレート５とを備える。このセパレータプレート５は燃料又は酸化剤を供給する流路を有する。このとき、セパレータ本体２に燃料を流入したのであれば、セパレータプレート５には酸化剤を供給するものとし、逆に、セパレータ本体２に酸化剤を流入する場合は、セパレータプレート５には燃料を供給する。 First, the structure of a fuel cell in which the separator according to the present invention is employed will be described with reference to FIG. The fuel cell 1 includes a separator body 2, a flow path unit 3 accommodated in the separator body 2, a membrane electrode assembly 4 that reacts with a fuel or an oxidant flowing into the flow path unit 3, and the membrane electrode. And a separator plate 5 that sandwiches the joined body 4 with the separator body 2. The separator plate 5 has a flow path for supplying fuel or oxidant. At this time, if the fuel flows into the separator body 2, the oxidant is supplied to the separator plate 5. Conversely, when the oxidant flows into the separator body 2, the fuel is supplied to the separator plate 5. Supply.

次に図２に基づいて本発明に係るセパレータについて説明する。セパレータ本体２は、厚みを有する長方形又は正方形で、例えばアクリル樹脂であり、その略中心には流路ユニット３を収容するための収容口１０が設けられている。この収容口１０へ、流路が加工された流路ユニット３が装入される。このとき、流路ユニット３はセパレータ本体２と接合されない。また、セパレータ本体２の側面には収容口１０へ貫通する流入孔１１ａが形成されている。この流入孔１１ａから、燃料又は酸化剤のいずれかが流路ユニット３へ流入される。流入された燃料又は酸化剤は、排出孔１１ｂから排出される。 Next, the separator according to the present invention will be described with reference to FIG. The separator main body 2 is a rectangular or square having a thickness, and is made of, for example, acrylic resin, and a storage port 10 for storing the flow path unit 3 is provided at the approximate center thereof. The flow path unit 3 in which the flow path is processed is inserted into the accommodation port 10. At this time, the flow path unit 3 is not joined to the separator body 2. Further, an inflow hole 11 a penetrating to the accommodation port 10 is formed on the side surface of the separator body 2. Either fuel or oxidant flows into the flow path unit 3 from the inflow hole 11a. The introduced fuel or oxidant is discharged from the discharge hole 11b.

なお、収容口１０の周囲には、膜電極接合体４が載置されるくぼみである載置部１２が形成される。更に、この載置部１２の周囲には、ナットを挿入する挿入孔１３ａが複数設けられている。 In addition, the mounting part 12 which is a hollow in which the membrane electrode assembly 4 is mounted is formed around the accommodation port 10. Further, a plurality of insertion holes 13 a for inserting nuts are provided around the mounting portion 12.

このように、流路ユニット３を収容したセパレータ本体２を、膜電極接合体４で挟持し、膜電極接合体４とセパレータ本体２及びセパレータプレート５との間に不図示のシール部材及び集電体を介在させる。最後にセパレータプレート５に複数設けられた挿入孔１３ｂにボルトを挿入し、セパレータ本体２に設けられた挿入孔１３ａ内に挿入されたナットと結合させる In this way, the separator body 2 containing the flow path unit 3 is sandwiched by the membrane electrode assembly 4, and a sealing member and current collector (not shown) are interposed between the membrane electrode assembly 4, the separator body 2, and the separator plate 5. Interpose the body. Finally, a bolt is inserted into a plurality of insertion holes 13b provided in the separator plate 5 and coupled with nuts inserted into the insertion holes 13a provided in the separator body 2.

本発明によれば、以上のようにセパレータ本体２及びセパレータプレート５によって膜電極接合体４を挟持したとき、流路ユニット３が両側の膜電極接合体４と接触する力は等しくなる。たとえば図３に示すように、ａ方向から加わる力が強かったとしても、流路ユニット３はセパレータ本体２と接合しているわけではなく、可動である構成なので、a方向からの圧力によって流路ユニット３はａ´方向へ押し出されることになり、結果、膜電極接合体４ａ及び４ｂが流路ユニット３と接触する押圧は均等となる。 According to the present invention, when the membrane electrode assembly 4 is sandwiched between the separator body 2 and the separator plate 5 as described above, the force with which the flow path unit 3 contacts the membrane electrode assemblies 4 on both sides becomes equal. For example, as shown in FIG. 3, even if the force applied from the direction a is strong, the flow path unit 3 is not joined to the separator body 2 but is movable. The unit 3 is pushed in the a ′ direction, and as a result, the pressure at which the membrane electrode assemblies 4 a and 4 b come into contact with the flow path unit 3 is equalized.

なお、本実施例においては、特に膜電極接合体４が押圧が均等な状態で反応する必要がある性能試験を例に説明したため、セパレータプレート５、膜電極接合体４ａ、セパレータ本体２、膜電極接合体４ｂ、セパレータプレート５の構成で説明した。しかし、本発明が性能試験の場合のみならず、単セルを積層して用いるいずれの場合においても利用可能なのは自明である。そのためセパレータプレート５の代わりにセパレータ本体２を用いて、３以上の単セルを積層していく構成で用いることも可能である。 In the present embodiment, since the performance test in which the membrane electrode assembly 4 needs to react with the pressure being evenly applied has been described as an example, the separator plate 5, the membrane electrode assembly 4a, the separator body 2, the membrane electrode The structure of the joined body 4b and the separator plate 5 has been described. However, it is obvious that the present invention can be used not only in the performance test but also in any case where single cells are stacked and used. Therefore, it is also possible to use a structure in which three or more single cells are stacked using the separator body 2 instead of the separator plate 5.

以上、本願発明における最良の形態について説明したが、この形態による記述及び図面により本発明が限定されることはない。すなわち、この形態に基づいて当業者等によりなされる他の形態、実施例及び運用技術等はすべて本発明の範疇に含まれることは勿論である。 As mentioned above, although the best form in this invention was demonstrated, this invention is not limited with the description and drawing by this form. That is, it is a matter of course that all other forms, examples, operation techniques, and the like made by those skilled in the art based on this form are included in the scope of the present invention.

図１は本発明に係るセパレータが採用される燃料電池の構造を説明する図である。FIG. 1 is a view for explaining the structure of a fuel cell in which a separator according to the present invention is employed. 図２（ａ）は本発明に係るセパレータを表す図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）をＡ−Ａの線で断面にした側断面図である。FIG. 2A is a view showing a separator according to the present invention, and FIG. 2B is a side sectional view of FIG. 2A taken along the line AA. 図３は流路ユニットの動きを説明する図である。FIG. 3 is a diagram for explaining the movement of the flow path unit. 図４は燃料電池の構造を説明する概略図である。FIG. 4 is a schematic diagram illustrating the structure of the fuel cell. 図５は燃料電池の原理を説明する模式図である。FIG. 5 is a schematic diagram for explaining the principle of the fuel cell.

Explanation of symbols

１．燃料電池
２．セパレータ本体
３．流路ユニット
４．（４ａ、４ｂ）膜電極接合体（ＭＥＡ）
５．セパレータプレート
１０．収容口
１１．流入孔
１２．載置部
１３．（１３ａ、１３ｂ）挿入孔
５１．電解質膜
５２．燃料極
５３．空気極
５４．膜電極接合体（ＭＥＡ）
５５．セパレータ
５６．単セル 1. 1. Fuel cell 2. Separator body 3. Channel unit (4a, 4b) Membrane electrode assembly (MEA)
5. Separator plate 10. Accommodation port 11. Inflow hole 12. Placement unit 13. (13a, 13b) Insertion hole 51. Electrolyte membrane 52. Fuel electrode 53. Air electrode 54. Membrane electrode assembly (MEA)
55. Separator 56. Single cell

Claims

A membrane electrode assembly comprising an electrolyte membrane and a pair of electrodes sandwiching the electrolyte membrane;
A fuel cell separator having a flow path unit for supplying fuel or an oxidant to the electrode and interposed between the plurality of membrane electrode assemblies;
In a fuel cell comprising:
The flow path unit housed in the fuel cell separator is movable within the fuel cell separator housing port,
The pressure received from one membrane electrode assembly moves, and the membrane electrode assembly in the opposite direction is pressed to equalize the pressure at which the membrane electrode assembly and the flow path unit are in contact with each other. Fuel cell separator.