JP5286070B2 - Fuel cell separator - Google Patents

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Description

本発明は、固体高分子型燃料電池に関する。   The present invention relates to a polymer electrolyte fuel cell.

燃料電池は、車載用や社会インフラ用として高出力密度化が求められている。このためには、セパレータ面全体にわたり、一様に発電することが必要となる。従来のチャンネル方式では、リブの部分は通電のみを、そしてチャンネル部は発電反応のみを担うというように役割分担しているため、一様化を行うには細分化が必要である。しかし、加工技術の観点からチャンネルの細分化には限界がある。   Fuel cells are required to have high output density for in-vehicle use and social infrastructure use. For this purpose, it is necessary to generate power uniformly over the entire separator surface. In the conventional channel system, the rib portion is responsible for only energization, and the channel portion is responsible for only the power generation reaction. Therefore, subdivision is necessary for equalization. However, there is a limit to channel segmentation from the viewpoint of processing technology.

その対応として、チャンネル流路の代わりに内部の孔が連通している多孔質化流路を用いる方法が考えられる。すなわち、多孔質体を用いると、通電部分と発電部分とを混合一様化することが可能となる。2倍とは行かなくても、発電部分を大幅に増加させることが期待できる。すなわち、高出力密度化を図ることが期待できる。   As a countermeasure, a method using a porous flow path in which internal holes communicate with each other instead of the channel flow path can be considered. That is, when a porous body is used, it becomes possible to mix and make the energization part and the power generation part uniform. Even if it does not go twice, it can be expected to greatly increase the power generation part. That is, it can be expected to increase the output density.

セパレータに金属多孔質を用いた例としては、例えば特許文献1等が挙げられ、セパレータの燃料ガスおよび酸化剤ガス流路に異なる細孔分布を有する2つ以上の複数層からなる多孔質体を適用することが開示されている。   An example of using a metal porous for the separator is, for example, Patent Document 1 and the like, and a porous body composed of two or more layers having different pore distributions in the fuel gas and oxidant gas flow paths of the separator. Application is disclosed.

特開2008−84703号公報JP 2008-84703 A

燃料電池では、下記反応によりアノードガス(以降、Anガス)である水素と、カソードガス(以降、Caガス)である空気中の酸素が消費されて、水と熱と電力が発生する。   In the fuel cell, hydrogen, which is an anode gas (hereinafter referred to as An gas), and oxygen in the air, which is a cathode gas (hereinafter referred to as Ca gas), are consumed by the following reaction to generate water, heat and electric power.

2H2+O2 → 2H2O+(熱)+(電力)
この反応は、従来流路に沿って上流から下流に流れる間に生じているので、流れに従い反応ガス流量が減り、Caガス側であれば反応発生水蒸気が流入し、Anガス側でも濃度拡散及び電気浸透に基づく水が流入し、水蒸気濃度は増大し飽和濃度を超えれば凝縮水が発生してガス欠また凝縮水によるフラディングを生じて、セル電圧の低下や寿命の低下を招くという課題がある。同時に、凝縮水発生により潜熱が解放され温度の不均一を招いて温度分布も偏りが生じて最高温度が上がり膜電極接合体(以降、MEA)を保護する観点から燃料利用率を下げ低出力化しなければならなかった。
2H 2 + O 2 → 2H 2 O + (heat) + (electric power)
Since this reaction occurs while flowing from upstream to downstream along the conventional flow path, the reaction gas flow rate decreases according to the flow, and the reaction-generated water vapor flows in on the Ca gas side, and concentration diffusion and on the An gas side. If water based on electroosmosis flows in, the water vapor concentration increases and exceeds the saturation concentration, condensed water is generated, causing gas shortage or flooding due to condensed water, leading to a decrease in cell voltage and a decrease in service life. is there. At the same time, latent heat is released due to the generation of condensed water, causing temperature non-uniformity and uneven temperature distribution, increasing the maximum temperature and lowering the fuel utilization rate and reducing the output from the viewpoint of protecting the membrane electrode assembly (hereinafter referred to as MEA). I had to.

ところが、出力密度を極限まで上げて高効率化(高出力密度化)、すなわち、低コスト化を図るには、燃料利用率を100%近くまで高めざるをえない。同時に、セパレータのマニホールドを含む額縁部分の面積を減らして体積削減による高出力密度化を図らなければならない。   However, in order to increase the output density to the limit to achieve high efficiency (high output density), that is, to reduce the cost, the fuel utilization rate must be increased to nearly 100%. At the same time, it is necessary to reduce the area of the frame portion including the separator manifold and increase the power density by reducing the volume.

これを成し遂げる一環として、反応ガス流路への連通多孔質体の採用が挙げられる。連通多孔質体を用いると、反応ガスがMEAと接触する空間部、すなわち、発電部が広がり、同時に、多孔質体の枠を構成する金属部分が導電部となって、導電部が一様に分散するため、流路高さ方向の発電部及び導電部の均一化を図ることが可能となる。しかし、特に、ガス拡散及び圧力損失低減を図るためには多孔質体の骨組部分体積の小さい高気孔率多孔質体を用いる必要があるが、ガス流路高さが1mm以下であるため、現状、市販の金属多孔質をスタック積層方向に圧縮して使用せざるをえない。このため、圧縮方向をx方向、圧縮方向と垂直な方向をr方向とすると、圧縮後の透過率kおよび気孔径dは、次のようになる。また、気孔率εは、圧縮の前後で次のようになる。   As part of accomplishing this, it is possible to employ a communication porous body in the reaction gas flow path. When the communicating porous body is used, the space where the reaction gas contacts the MEA, that is, the power generation section expands, and at the same time, the metal part constituting the frame of the porous body becomes the conductive section, and the conductive section becomes uniform Since it is dispersed, it is possible to make the power generation section and the conductive section in the flow path height direction uniform. However, in particular, in order to reduce gas diffusion and pressure loss, it is necessary to use a high-porosity porous body with a small skeleton volume, but since the gas flow path height is 1 mm or less, A commercially available metal porous material must be compressed in the stacking direction. Therefore, when the compression direction is the x direction and the direction perpendicular to the compression direction is the r direction, the transmittance k and the pore diameter d after compression are as follows. The porosity ε is as follows before and after compression.

r<kx
r<dx
ε圧縮前>ε圧縮後
この圧縮後の構造は、x方向としては、反応ガスの拡散及び生成水の排出性は向上するものの、出口マニホールドに向かう方向に係わるr方向の反応ガスの拡散、及び、生成水の排出性が阻害される。材料の親水性および疎水性で、その傾向は逆であるが、疎水性材料の場合、比較的大きな気孔径の部分を生成水のうち、凝縮した液水が通過し、比較的小さい気孔径の部分を気体が通過することにより、多孔質内でのある飽和度レベルまでは互いに互いの通路を遮断することなく性能が発揮することが知られている。
k r <k x
d r <d x
Before ε compression > After ε compression
In the structure after compression, in the x direction, the diffusion of the reaction gas and the discharge of the generated water are improved, but the diffusion of the reaction gas in the r direction related to the direction toward the outlet manifold and the discharge of the generated water are Be inhibited. In the case of a hydrophobic material, the condensed liquid water passes through a portion of a relatively large pore size and the condensed water of the product water has a relatively small pore size. It is known that when gas passes through a portion, the performance is exhibited without blocking each other's passages up to a certain saturation level in the porous body.

しかし、x方向を圧縮すると、r方向への流路高さが減少するため圧力損失が増大し、かつ、そのため補機動力が増えるという課題があった。   However, if the x direction is compressed, the flow path height in the r direction decreases, so that the pressure loss increases, and the auxiliary power increases accordingly.

また、x方向とr方向で物性が異なるため、設計のための解析に時間がかかるという課題があった。   In addition, since the physical properties are different between the x direction and the r direction, there is a problem that it takes time to analyze the design.

このように、多孔質体を低圧損で使用するには、高気孔率が必須となり、かつ、極薄のセパレータ流路に適用するには気孔径及び気孔率が一様に製作されている多孔質を一方向に圧縮して方向性が生じてしまい設計概念からずれてくるという課題が生じる。   Thus, in order to use a porous body with a low pressure loss, a high porosity is essential, and in order to apply it to an ultrathin separator flow path, a pore having a uniform pore diameter and porosity is manufactured. There arises a problem that the quality is compressed in one direction to cause directionality and deviate from the design concept.

本発明は、上述のような課題を鑑み、多孔質体の利点を活かしつつ、反応ガスや水の流れの制御が容易な燃料電池セパレータを提供することを目的とする。   In view of the above-described problems, an object of the present invention is to provide a fuel cell separator that can easily control the flow of a reaction gas and water while taking advantage of a porous body.

上記課題を解決するため、本発明では多孔質類似構造を適用することで解決を図った。すなわち、複数以上の寸法の、導電性の柱を1mm以下の寸法で形成することにより、毛細管力を利用しての水及びガスの流路分離構造の形成することで解決を図った。   In order to solve the above problems, the present invention has been solved by applying a porous similar structure. That is, the solution was achieved by forming a water and gas flow path separation structure using capillary force by forming a plurality of conductive pillars having dimensions of 1 mm or less.

本発明は、金属板または金属多孔質板からなる燃料電池セパレータにおいて、前記金属板あるいは金属多孔質板の上に形成された直径または外形寸法の異なる複数の導電体を有し、前記導電体間が反応ガスの流路として構成され、前記導電体を所定の間隔で配置し、ガスを選択的に流通させる流路と、水を選択的に流通させる流路に分離したことを特徴とする燃料電池セパレータである。   The present invention provides a fuel cell separator composed of a metal plate or a metal porous plate, and has a plurality of conductors having different diameters or outer dimensions formed on the metal plate or the metal porous plate, and between the conductors. Is configured as a reaction gas flow path, and is separated into a flow path for selectively circulating gas and a flow path for selectively flowing water, wherein the conductors are arranged at predetermined intervals. It is a battery separator.

また、前記金属板または金属多孔質板の上に形成する導電体の形成密度分布を変化させたことを特徴とする。   Further, the formation density distribution of the conductor formed on the metal plate or the metal porous plate is changed.

また、前記金属板または金属多孔質板の上に形成された導電体の上に、さらに、直径または外形寸法の異なる導電体を形成し、導電体間の流路を複数層化したことを特徴とする。   Further, a conductor having a different diameter or outer dimension is further formed on the conductor formed on the metal plate or the metal porous plate, and a plurality of flow paths between the conductors are formed. And

また、前記金属板または金属多孔質板を貫通する孔を有し、冷却媒体を反応ガスに注入して冷却及び加湿を行うことを特徴とする。   In addition, a hole penetrating the metal plate or the metal porous plate is provided, and cooling and humidification are performed by injecting a cooling medium into the reaction gas.

また、前記金属板または金属多孔質板を貫通する孔の上に設けた導電体内の中央部に貫通孔及び貫通孔に連通したスリットを有することを特徴とする。   Further, the present invention is characterized in that a through hole and a slit communicating with the through hole are provided at a central portion in the conductor provided on the hole penetrating the metal plate or the metal porous plate.

また、前記導電体間の所定の間隔が、10〜50μm、及び、100〜600μmの2種類の間隔であることを特徴とする。   Further, the predetermined interval between the conductors is two types of intervals of 10 to 50 μm and 100 to 600 μm.

また、前記導電体は第1の直径と第2の直径を有しており、第1の直径を有する導電体間で構成される第1の流路と、第1の直径を有する導電体と第2の直径を有する導電体との間で構成される第2の流路とを有し、前記第1の流路と第2の流路は異なる間隔で設けられ、前記第1の流路と第2の流路によりガスを選択的に流通させる流路、及び、水を選択的に流通させる流路を分離したことを特徴とする。   The conductor has a first diameter and a second diameter, a first flow path formed between conductors having the first diameter, a conductor having the first diameter, A second flow path configured with a conductor having a second diameter, wherein the first flow path and the second flow path are provided at different intervals, and the first flow path And the second channel and the channel for selectively circulating gas and the channel for selectively circulating water are separated.

本発明の燃料電池セパレータは、2種類以上の寸法の異なる導電体を金属板あるいは金属多孔質板上に形成することにより、部分的に多孔質模擬構造を形成し、流路幅を調整して相互に干渉しないガス流路および水流路を形成し、多孔質体材と同等の効果を発揮させることができ、高出力密度運転ができるという利点がある。また、多孔質体と異なり2次元的に流路を構成できるので設計しやすく反応ガスや水の流れを制御し易いという利点がある。   In the fuel cell separator of the present invention, two or more kinds of conductors having different dimensions are formed on a metal plate or a metal porous plate, thereby partially forming a porous simulated structure and adjusting the channel width. The gas flow path and the water flow path that do not interfere with each other are formed, and an effect equivalent to that of the porous body material can be exhibited, and there is an advantage that high power density operation can be performed. Further, unlike the porous body, since the flow path can be configured two-dimensionally, there is an advantage that it is easy to design and the flow of the reaction gas and water is easy to control.

本発明のセパレータ及びそれを用いて積層形成した燃料電池を実施例により説明する。   The separator of the present invention and a fuel cell formed by using the separator will be described with reference to examples.

以下、本発明の実施例について図面を用いて説明する。図1に本発明の一実施例を示す。図1は、実施例1のセパレータ1のカソード側平面図を示す。このカソード側の平面の上に、図示しないがガス拡散層(以降、GDL)を介してMEAが積層される。但し、GDLが省略されることもある。以降では、酸化ガスは空気,燃料ガスは水素として説明を進めるが、もちろん、酸化ガスは、酸素であれば最も良く、また、燃料ガスは水素リッチなガスであれば適用可能である。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 shows an embodiment of the present invention. FIG. 1 is a plan view of the cathode side of the separator 1 according to the first embodiment. On the cathode side plane, an MEA is laminated via a gas diffusion layer (hereinafter referred to as GDL) (not shown). However, GDL may be omitted. In the following description, the oxidizing gas is assumed to be air, and the fuel gas is assumed to be hydrogen. Of course, the oxidizing gas is best to be oxygen, and the fuel gas is applicable to hydrogen-rich gas.

まず、セパレータ1の構成について説明する。セパレータ1は、酸化剤である空気をカソード(以降、Ca)ガス入口マニホールド2、Caガス入口マニホールド2からの酸化剤ガスを流すための流路網16、この流路網16を流れて行く際に酸素がMEA(図示しないが、この流路面上にある)のCa極で消費され水が生成され、このCa排ガスと水が排出されるためのCaガス出口マニホールド3,MEAのAn極に水素を送り込むためのAnガス入口マニホールド4,消費されたAn排ガス(排水素)をセパレータから排出するためのAnガス出口マニホールド5,これらの流路部を形成するための金属板9、及びAnガス(水素ガス)とCaガス(空気)を混合させないためのシール8より主として構成される。また、図の下部に拡大図を示す。拡大図の上の図が平面図を示し、下の図が断面図を示す。流路網16は拡大すると、次のものより構成される。金属板9の上に密着して、導電性の小円柱6,導電性の大円柱7が格子状に配置している。この大円柱7は、流れ方向にL1の間隔、流れ方向と直交する方向にL2の間隔で配置する。その間に小円柱6を1列置きに配置する。   First, the configuration of the separator 1 will be described. When the separator 1 flows through the channel network 16, the cathode (hereinafter referred to as “Ca”) gas inlet manifold 2, the channel network 16 for flowing the oxidant gas from the Ca gas inlet manifold 2, and the channel network 16. Oxygen is consumed at the Ca electrode of the MEA (not shown, but on the flow path surface) to generate water, and the Ca gas outlet manifold 3 for discharging the Ca exhaust gas and water is hydrogen at the An electrode of the MEA. An gas inlet manifold 4, an An gas outlet manifold 5 for discharging consumed An exhaust gas (exhaust hydrogen) from the separator 5, a metal plate 9 for forming these flow paths, and An gas ( Hydrogen gas) and Ca gas (air) are mainly composed of a seal 8 for preventing mixing. An enlarged view is shown at the bottom of the figure. The upper figure of the enlarged view shows a plan view, and the lower figure shows a cross-sectional view. When the flow channel network 16 is enlarged, it is composed of the following. In close contact with the metal plate 9, conductive small cylinders 6 and conductive large cylinders 7 are arranged in a grid pattern. The large cylinders 7 are arranged at intervals of L1 in the flow direction and at intervals of L2 in a direction orthogonal to the flow direction. In the meantime, the small cylinders 6 are arranged in every other row.

このとき、この配置により、大円柱7間で最も狭隘部で100〜600μmの寸法、大円柱7と小円柱6の間の流路を最も狭隘部で10〜50μmとする。なお、高さは、0.2mmから1mm以下が望ましい。この構成により動作は次のようになる。なお、これら円柱の材質は、疎水性であることを前提に説明する。親水性の場合、ガス流路と水流路が逆転するが、水の場合、粘度が大きいので圧力損失的に有利と考える。Caガス入口マニホールド2から流路網16に入ったCaガス(空気)の中の酸素は、図示していないが流路網16の上(図では紙面上)にあるMEAを介して水素と反応し電力と熱と反応生成水を発生させながら下流へと流れて行く。その際、酸素が消費され、その結果、反応生成水(水蒸気の形)および熱の一部がCa排ガスに加えられる。なお、この流れは、セパレータ1に垂直な方向の流れであるが、この垂直流路もガス及び凝縮水の流路もこの配置により分離される。このようにして下流に向かって流れているCa排ガスは、反応生成水の一部を加えながら、その水蒸気濃度が増加していく。その後、運転温度により異なるが通常の約70℃前後の場合、Ca排ガス温度が70℃の時の飽和水蒸気濃度を越えると凝縮して、液水になりCa排ガスと凝縮水の2相流となってCaガス出口マニホールド3に排出される。このとき、この凝縮水は、毛細管力の作用により、大円柱7間流路を流れ、Ca排ガスは小円柱6と大円柱7の間の流路を流れることにより、分離されるので凝縮水によるCa排ガスの流れがMEAの方向及び下流の方向に流れるのが阻害されずフラディングを起こし難くなり性能が向上する。このセパレータ1の裏面(図示していない)でも同様にAnガス(水素ガス)が流れ同様の作用を受けて性能向上に寄与する。   At this time, with this arrangement, the size of the narrowest part between the large cylinders 7 is 100 to 600 μm, and the flow path between the large cylinder 7 and the small cylinder 6 is 10 to 50 μm at the narrowest part. The height is preferably 0.2 mm to 1 mm or less. With this configuration, the operation is as follows. In addition, it demonstrates on the assumption that the material of these cylinders is hydrophobic. In the case of hydrophilicity, the gas flow path and the water flow path are reversed, but in the case of water, since the viscosity is large, it is considered advantageous in terms of pressure loss. Although not shown, oxygen in Ca gas (air) that has entered the flow channel network 16 from the Ca gas inlet manifold 2 reacts with hydrogen via the MEA that is above the flow channel network 16 (on the drawing in the drawing). It flows downstream while generating electricity, heat, and reaction product water. At that time, oxygen is consumed, and as a result, reaction product water (in the form of water vapor) and part of the heat are added to the Ca exhaust gas. Although this flow is a flow in a direction perpendicular to the separator 1, this vertical flow path and the flow paths of gas and condensed water are separated by this arrangement. Thus, the Ca exhaust gas flowing toward the downstream increases in water vapor concentration while adding a part of the reaction product water. Thereafter, although it varies depending on the operating temperature, when it is around about 70 ° C., when the Ca exhaust gas temperature exceeds the saturated water vapor concentration at 70 ° C., it condenses into liquid water and becomes a two-phase flow of Ca exhaust gas and condensed water. And discharged to the Ca gas outlet manifold 3. At this time, the condensed water flows through the flow path between the large cylinders 7 due to the action of capillary force, and the Ca exhaust gas is separated by flowing through the flow path between the small cylinders 6 and 7, so that the condensed water The flow of Ca exhaust gas is not hindered from flowing in the direction of the MEA and in the downstream direction, so that it is difficult for flooding to occur and the performance is improved. Similarly, an An gas (hydrogen gas) flows on the back surface (not shown) of the separator 1 and is subjected to the same action, thereby contributing to performance improvement.

また、多孔質の代わりに円柱を採用することにより、面圧及び面圧分布によらず一定の流路高さを保持するスペーサとしても機能させることもできる。なお、図では円柱状であるが、上が細い、断面が台形状の円柱であってもその間隙寸法が上記で示した寸法であれば、機能上は差し支えない。また、上から見た形が四角形でも楕円でも三角形であっても適用上上記間隙寸法を満たせば最低限の機能・作用は確保することができる。   Further, by adopting a cylinder instead of the porous material, it can also function as a spacer that maintains a constant flow path height regardless of the surface pressure and the surface pressure distribution. In the figure, although it is a columnar shape, even if it is a column with a thin top and a trapezoidal cross section, if the gap size is the above-mentioned size, there is no problem in terms of function. In addition, even if the shape seen from above is a quadrangle, an ellipse or a triangle, the minimum function / action can be ensured if the above gap size is satisfied.

このような構成により、本実施例特有の効果として、次のものがある。すなわち、導電体を金属板の上に形成するので、金属板との間の電気的及び熱的接触抵抗の低減,流路高さの一定保持,面圧に対する反発力の一定化,高出力密度化,2次元的流路化による流路設計の簡素化,信頼性向上及びコスト低減を図れるという効果がある。   With such a configuration, the following effects are specific to this embodiment. In other words, since the conductor is formed on the metal plate, the electrical and thermal contact resistance with the metal plate is reduced, the flow path height is kept constant, the repulsive force is constant against the surface pressure, and the high output density. It is possible to simplify the flow path design, improve the reliability and reduce the cost by using a two-dimensional flow path.

図2に、実施例1の変形例である実施例2のセパレータ1のカソード側平面図を示す。図2では、大円柱7の間隔L2を変化させてL2′とし、間隔L1はそのまま保持したもので、これにより流路網16の水流路を拡大して反応生成蒸気量が蓄積して、凝縮水の発生量が増える下流に対応させるとともに、蒸気をそのときの反応ガス温度での飽和濃度まで含んで粘度が増加した飽和濃度のCa排ガスと、凝縮水が増えて圧力抵抗が増えた水をスムーズに排出するようにしたものである。これにより、凝縮水がほとんど発生しない上流では、逆に水を保持してMEAが乾かないようにする加湿作用と蒸発を促進することができ、凝縮水の発生の多い下流では、水とCa排ガスの流れを促進してフラディングを阻止して凝縮水発生の多い高出力密度での運転を可能にできる。このような構成にすることで、実施例1よりもさらに加湿と潜熱冷却を促進できるので高出力密度化を図れるとともに供給冷却水を低減できるという効果がある。   FIG. 2 is a plan view of the cathode side of the separator 1 according to the second embodiment, which is a modification of the first embodiment. In FIG. 2, the interval L2 of the large cylinder 7 is changed to L2 ′, and the interval L1 is maintained as it is. As a result, the water flow path of the flow path network 16 is expanded and the amount of reaction product vapor is accumulated and condensed. Corresponding to the downstream where the amount of water generated increases, the Ca exhaust gas with increased viscosity containing steam up to the saturated concentration at the reaction gas temperature at that time, and water with increased pressure resistance due to increased condensed water It is designed to discharge smoothly. Thus, in the upstream where almost no condensed water is generated, it is possible to promote the humidification action and evaporation to keep the water and prevent the MEA from drying, and in the downstream where much condensed water is generated, water and the Ca exhaust gas. The flow of water can be promoted to prevent flooding, and operation at a high power density with a large amount of condensed water can be realized. By adopting such a configuration, humidification and latent heat cooling can be further promoted than in the first embodiment, so that there is an effect that high output density can be achieved and supply cooling water can be reduced.

図3に、実施例1の変形例である実施例3のセパレータ1のカソード側平面図を示す。実施例1では、図示はしていなかったが、円柱を形成した金属板9の裏面はAnガス(水素ガス)を流す面として使用している。その流路構成の説明はしていないが、上述したCaガスを流す実施例1の表面と同様の構成である。しかし、本実施例3では、表面にAnガスあるいはCaガスを流し、この裏面を冷却媒体、そのなかでも特に水を流す構成としている。このため、実施例1と異なり冷却水入口マニホールド10及び冷却水出口マニホールド11が新たに追加されている。AnガスとCaガスでは構成が類似なためCaガスで代表させて説明する。図3の左の図が反応ガス側であり、この図の場合はCaガス側を示す。図3の右側は冷却水側を示す。この左右の図で金属板9を挟んだときのセパレータの裏表を表す。反応ガス側は、実施例1と同じように大円柱7と小円柱6を設けているが、実施例1と異なるのは、金属板9を貫通する液水孔12を設けて、反応ガス側の液水流路にあたる部分に蒸気または水の形で噴出させて凝縮水が少ない部分での冷却及び加湿を行う構成としたことである。液水孔の大きさとしては、0.1mm〜0.7mmで液水流路幅と同レベルとして注入抵抗を小さくしている。裏側の冷却水側は、大円柱7のみの構成とした。この理由は、反応ガス側と異なり、気体と液体の流路を、毛細管力を利用して分離する必要がないためである。   FIG. 3 is a plan view of the cathode side of the separator 1 according to the third embodiment which is a modification of the first embodiment. Although not shown in Example 1, the back surface of the metal plate 9 formed with a cylinder is used as a surface through which An gas (hydrogen gas) flows. Although the flow path configuration is not described, it is the same configuration as the surface of Example 1 in which the Ca gas flows. However, in the third embodiment, an An gas or a Ca gas is allowed to flow on the front surface, and a cooling medium, especially water, is allowed to flow on the back surface. For this reason, unlike the first embodiment, a cooling water inlet manifold 10 and a cooling water outlet manifold 11 are newly added. Since An gas and Ca gas are similar in configuration, the description will be made by using Ca gas as a representative. The left figure of FIG. 3 is the reaction gas side, and in this case, the Ca gas side is shown. The right side of FIG. 3 shows the cooling water side. The left and right figures show the reverse side of the separator when the metal plate 9 is sandwiched. The reaction gas side is provided with a large cylinder 7 and a small cylinder 6 as in the first embodiment, but differs from the first embodiment in that a liquid water hole 12 penetrating the metal plate 9 is provided and the reaction gas side is provided. It is set as the structure which cools and humidifies in the part with little condensed water by making it eject in the form of vapor | steam or water to the part which corresponds to the liquid water flow path. The size of the liquid water hole is 0.1 mm to 0.7 mm, which is the same level as the width of the liquid water channel, and the injection resistance is reduced. The cooling water side on the back side is configured with only the large cylinder 7. This is because, unlike the reaction gas side, there is no need to separate the gas and liquid flow paths using capillary forces.

反応ガス側の動作は、水が液水孔12を通って冷却水側から滲み出て来て蒸発あるいは水の状態で流れて冷却、あるいは、MEAの加湿に利用される以外は実施例1とほぼ同じである。裏の冷却水側は、冷却水入口マニホールド10から流路網16を通過しながら金属板9(もちろん、熱源は、図示しないがMEA由来)から熱を奪いながら液水孔12を通じて反応ガス側に水を供給したあと、冷却水出口マニホールド11に入り、最終的には熱を比熱の形で保持したままスタックから流出することにより燃料電池温度が運転最適温度に維持される。なお、反応ガス側に供給された水は、反応ガスの温度で決まる飽和濃度と、そのときの水蒸気濃度に駆動されて一部が蒸発し潜熱冷却の形で金属板9の熱を奪い、水蒸気の形でCa排ガスに蓄えられてCaガス出口マニホールド3から運び出される。これにより、潜熱冷却を利用して少ない水量で冷却能力を向上させることができる。   The operation on the reaction gas side is the same as in Example 1 except that water exudes from the cooling water side through the liquid water hole 12 and flows in the state of evaporation or water for cooling or humidification of the MEA. It is almost the same. The cooling water side on the back passes through the flow channel network 16 from the cooling water inlet manifold 10 and moves to the reaction gas side through the liquid water hole 12 while taking heat from the metal plate 9 (of course, the heat source is derived from the MEA although not shown). After the water is supplied, the fuel cell temperature is maintained at the optimum operating temperature by entering the cooling water outlet manifold 11 and finally flowing out of the stack while maintaining the heat in the form of specific heat. The water supplied to the reaction gas side is driven by the saturated concentration determined by the temperature of the reaction gas and the water vapor concentration at that time, and part of the water evaporates to take the heat of the metal plate 9 in the form of latent heat cooling. Is stored in the Ca exhaust gas and carried out from the Ca gas outlet manifold 3. Thereby, the cooling capacity can be improved with a small amount of water using latent heat cooling.

このような構成にすることで、実施例1と異なり、Caガス及びAnガスをさらにセパレータ面上で潜熱冷却及び加湿ができるので、さらに、小形化高出力密度化できるという効果がある。   By adopting such a configuration, unlike Example 1, Ca gas and An gas can be further subjected to latent heat cooling and humidification on the separator surface, so that there is an effect that the size can be further reduced and the output density can be increased.

図4に、実施例4のセパレータ1のカソード側平面図を示す。本実施例は、実施例3の変形例であり、実施例3での液水孔12を大円柱7の中心に設けたもので、このため、反応ガス側も冷却水側も大円柱7が裏表面の同じ位置に金属板9を貫通する液水孔13を共有する形で配置される。但し、液水孔13のみでは水を入れてセパレータの冷却水側から反応ガス側へ供給できないので大円柱7に冷却水側も反応ガス側もスリット14を設ける。これにより、実施例3と異なり、液水孔12付近の強度や変形が抑えられ、Caガス及びAnガスをセパレータ面上で潜熱冷却及び加湿ができるので、さらに、信頼性の高い小形化高出力密度化できるという効果がある。   In FIG. 4, the cathode side top view of the separator 1 of Example 4 is shown. The present embodiment is a modification of the third embodiment, in which the liquid water hole 12 in the third embodiment is provided at the center of the large cylinder 7. For this reason, the large cylinder 7 is provided on both the reaction gas side and the cooling water side. It arrange | positions in the form which shares the liquid water hole 13 which penetrates the metal plate 9 in the same position of a back surface. However, since water cannot be introduced and supplied from the cooling water side of the separator to the reaction gas side only by the liquid water holes 13, slits 14 are provided in the large cylinder 7 on both the cooling water side and the reaction gas side. Thereby, unlike Example 3, the strength and deformation near the liquid water hole 12 can be suppressed, and Ca gas and An gas can be cooled and humidified on the separator surface. There is an effect that density can be increased.

図5に、実施例5のセパレータ1のカソード側平面図を示す。本実施例は、実施例3,4の変形例である。実施例3と異なり、反応ガス側では、金属板9の上に直接大円柱7及び小円柱6形成するのではなく、金属板9の上に付着させた金属多孔質板15の上に大円柱7を形成したもので、小円柱6の働きであるガス流路の確保は、金属多孔質に働かせて、毛細管力の差を利用して大円柱7には水流路の確保を受け持たせたものである。こうすることにより金属多孔質の設計も簡素化される。もう一つ異なる点は、冷却水側の大円柱7を角丸の四角柱にしたことで、これにより、面圧を受ける力を増強するとともに、冷却水の水力抵抗の低減を図っている。これにより、実施例4と異なり、液水孔12付近の強度や変形が抑えられ、Caガス及びAnガスをセパレータ面上で潜熱冷却及び加湿ができるので、さらに、補機動力が低減でき、かつ、信頼性の高い小形化高出力密度化できるという効果がある。なお、この実施例では、金属多孔質板15の上に大円柱7を形成したが2種の円柱群から構成される流路網16の上に形成する方が設計の簡素化上望ましい。   In FIG. 5, the cathode side top view of the separator 1 of Example 5 is shown. This embodiment is a modification of the third and fourth embodiments. Unlike Example 3, on the reaction gas side, the large cylinder 7 and the small cylinder 6 are not formed directly on the metal plate 9 but on the metal porous plate 15 adhered on the metal plate 9. 7 is formed, and the gas flow path that is the function of the small cylinder 6 is made to work on the metal porous, and the large cylinder 7 is responsible for securing the water flow path by utilizing the difference in capillary force. Is. This also simplifies the metal porous design. Another difference is that the large cylinder 7 on the cooling water side is a rounded quadrangular prism, thereby increasing the force to receive the surface pressure and reducing the hydraulic resistance of the cooling water. Thereby, unlike Example 4, the strength and deformation near the liquid water hole 12 are suppressed, and Ca gas and An gas can be latently cooled and humidified on the separator surface, so that the auxiliary power can be further reduced, and There is an effect that a highly reliable miniaturization and high power density can be achieved. In this embodiment, the large cylinder 7 is formed on the metal porous plate 15, but it is preferable to form it on the channel network 16 composed of two types of cylinder groups for simplification of the design.

図6に、実施例6の燃料電池スタックの模式図を示す。図6は、実施例2から5のセパレータを積層させたスタック100を示したものである。このスタックの構成は、次の通りである。Anガスを供給する供給口112,Caガスを供給する供給口111,冷却水を供給する供給口110,両端にある絶縁板109,電力を外部に取り出すための集電板113、と、本発明の2枚のセパレータ101を、冷却水流路部121側を背中合わせにしたものと、電解質膜102を、電極103,ガス拡散層106でサンドイッチ状に挟んだ発電部分105を交互に積層したスタック100,Anガスを排出する排出口104,Caガスを排出する排出口108,冷却水を排出する排出口107で構成される。発電部分105には、Anガス流路部120とCaガス流路部122が接して発電部分105に水素と酸素を供給する。同時に、それぞれのガスの流路部120,122の裏側に形成された冷却水流路部121で発電部分105での発熱を吸収する。なお、実施例1を積層させたスタックは、ここには図示しないが冷却水部が省略されたもので、予めCaガスあるいはAnガスにスタックの外で含水させたガスを供給させて冷却を行う。   FIG. 6 shows a schematic diagram of a fuel cell stack of Example 6. FIG. 6 shows a stack 100 in which the separators of Examples 2 to 5 are stacked. The structure of this stack is as follows. A supply port 112 for supplying An gas, a supply port 111 for supplying Ca gas, a supply port 110 for supplying cooling water, insulating plates 109 at both ends, a current collecting plate 113 for taking out power to the outside, and the present invention A stack 100 in which two separators 101 are placed with the cooling water flow passage part 121 side back to each other, and a power generation part 105 sandwiched between an electrolyte membrane 102 and an electrode 103 and a gas diffusion layer 106 alternately. It comprises a discharge port 104 for discharging An gas, a discharge port 108 for discharging Ca gas, and a discharge port 107 for discharging cooling water. The power generation portion 105 is in contact with the An gas flow path portion 120 and the Ca gas flow path portion 122 to supply hydrogen and oxygen to the power generation portion 105. At the same time, heat generated in the power generation portion 105 is absorbed by the cooling water flow channel portion 121 formed on the back side of each gas flow channel portion 120, 122. Note that the stack in which the first embodiment is stacked is not shown here, but the cooling water portion is omitted, and cooling is performed by supplying a gas previously contained in the Ca gas or An gas outside the stack. .

本実施例の構成により、本発明のセパレータの効果により、スタック全体の反応ガス流路の温度分布の均一化が図れる。これにより、高出力密度でコンパクトなスタックが可能にできるという効果がある。   With the configuration of this embodiment, the temperature distribution of the reaction gas flow paths in the entire stack can be made uniform by the effect of the separator of the present invention. This has the effect of enabling a compact stack with high power density.

燃料電池以外にも電力と熱が電気化学反応により発生する発電要素で高出力化を図らなければならないものにも利用できる。   In addition to fuel cells, it can also be used for power generation elements in which electric power and heat are generated by an electrochemical reaction that require higher output.

実施例1のセパレータの構成を示した説明図である。FIG. 3 is an explanatory diagram showing a configuration of a separator of Example 1. 実施例2のセパレータの構成を示した説明図である。6 is an explanatory diagram showing a configuration of a separator according to Example 2. FIG. 実施例3のセパレータの構成を示した説明図である。6 is an explanatory diagram showing a configuration of a separator of Example 3. FIG. 実施例4のセパレータの構成を示した説明図である。FIG. 6 is an explanatory diagram showing a configuration of a separator of Example 4. 実施例5のセパレータの構成を示した説明図である。FIG. 10 is an explanatory diagram showing a configuration of a separator of Example 5. 本発明のセパレータを用いたスタックの構成を示した説明図である。It is explanatory drawing which showed the structure of the stack using the separator of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1 セパレータ
2 Caガス入口マニホールド
3 Caガス出口マニホールド
4 Anガス入口マニホールド
5 Anガス出口マニホールド
6 小円柱
7 大円柱
8 シール
9 金属板
10 冷却水入口マニホールド
11 冷却水出口マニホールド
12,13 液水孔
14 スリット
15 金属多孔質板
16 流路網
100 スタック
101 セパレータ
102 電解質膜
103 電極
104 Anガス排出口
105 発電部分
106 ガス拡散層
107 冷却水排出口
108 Caガス排出口
109 絶縁板
110 冷却水供給口
111 Caガス供給口
112 Anガス供給口
113 集電板
120 Anガス流路部
121 冷却水流路部
122 Caガス流路部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Separator 2 Ca gas inlet manifold 3 Ca gas outlet manifold 4 An gas inlet manifold 5 An gas outlet manifold 6 Small cylinder 7 Large cylinder 8 Seal 9 Metal plate 10 Cooling water inlet manifold 11 Cooling water outlet manifold 12, 13 Liquid water hole 14 Slit 15 Metal porous plate 16 Channel network 100 Stack 101 Separator 102 Electrolyte membrane 103 Electrode 104 An gas outlet 105 Power generation part 106 Gas diffusion layer 107 Cooling water outlet 108 Ca gas outlet 109 Insulating plate 110 Cooling water supply port 111 Ca gas supply port 112 An gas supply port 113 Current collector plate 120 An gas flow channel portion 121 Cooling water flow channel portion 122 Ca gas flow channel portion

Claims (5)

金属板または金属多孔質板からなる燃料電池セパレータにおいて、
前記金属板あるいは金属多孔質板の上に形成された直径または外形寸法の異なる複数の導電体を有し、前記導電体間が反応ガスの流路として構成され、
前記導電体は第1の直径と第2の直径を有し、
第1の直径を有する導電体間で構成される第1の流路と、第1の直径を有する導電体と第2の直径を有する導電体との間で構成される第2の流路とを有し、
前記第1の流路と第2の流路は異なる間隔で設けられ、前記第1の流路と第2の流路によりガスを選択的に流通させる流路、及び、水を選択的に流通させる流路分離したことを特徴とする燃料電池セパレータ。
In a fuel cell separator comprising a metal plate or a metal porous plate,
A plurality of conductors having different diameters or outer dimensions formed on the metal plate or the metal porous plate, and the conductors are configured as a reaction gas flow path,
The conductor has a first diameter and a second diameter;
A first flow path configured between conductors having a first diameter; a second flow path configured between a conductor having a first diameter and a conductor having a second diameter; Have
The first flow path and the second flow path are provided at different intervals, a flow path for selectively flowing gas through the first flow path and the second flow path , and selective flow of water. A fuel cell separator, characterized in that a flow path to be separated is separated.
請求項1に記載の燃料電池セパレータにおいて、前記金属板または金属多孔質板の上に形成する導電体の形成密度分布を変化させたことを特徴とする燃料電池セパレータ。   2. The fuel cell separator according to claim 1, wherein a formation density distribution of a conductor formed on the metal plate or the metal porous plate is changed. 請求項1に記載の燃料電池セパレータにおいて、前記金属板あるいは金属多孔質板の両面に前記導電体を有し、前記金属板あるいは金属多孔質板の一方の面に反応ガスが流れる流路、他方の面に冷却水が流れる流路が前記導電体により形成されており、
前記金属板または金属多孔質板には、前記金属板または金属多孔質板を貫通する液水が設けられ、
前記液水孔により、前記他方の面を流れる冷却水を前記一方の面に形成された水を選択的に流通させる流路に噴出させることを特徴とする燃料電池セパレータ。
2. The fuel cell separator according to claim 1, wherein the conductor is provided on both surfaces of the metal plate or the metal porous plate, and the flow path through which the reaction gas flows on one surface of the metal plate or the metal porous plate, The flow path through which the cooling water flows is formed by the conductor.
The metal plate or the metal porous plate is provided with liquid water holes penetrating the metal plate or the metal porous plate ,
A fuel cell separator, characterized in that the liquid water hole causes the cooling water flowing on the other surface to be ejected into a flow path for selectively circulating water formed on the one surface .
請求項に記載の燃料電池セパレータにおいて、前記液水孔の上に設けた前記導電体内の中央部に貫通孔及び貫通孔に連通したスリットを有することを特徴とする燃料電池セパレータ。 In the fuel cell separator according to claim 3, the fuel cell separator and having a slit communicating with the through hole and the through hole in its central portion of the conductive body provided on the liquid water hole. 請求項1に記載の燃料電池セパレータにおいて、前記導電体間の間隔が、10〜50μm、及び、100〜600μmの2種類の間隔であることを特徴とする燃料電池セパレータ。 In the fuel cell separator according to claim 1, intervals between the conductor is, 10 to 50 [mu] m, and a fuel cell separator, which is a two intervals 100~600Myuemu.
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