JP6536275B2 - Single cell separator - Google Patents
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Description
本発明は、膜電極接合体を一対のセパレータで挟持した構造を有する燃料電池の単セルに用いられるセパレータの改良に関するものである。 The present invention relates to improvement of a separator used in a unit cell of a fuel cell having a structure in which a membrane electrode assembly is sandwiched between a pair of separators.
従来における燃料電池の単セル用セパレータとしては、例えば特許文献１に記載されているものがある。特許文献１に記載のセパレータは、中央部にガスや冷却水の流通領域を有し、一方の端部に、アノードガス、カソードガス、及び冷却水の供給穴を有すると共に、他方の端部に、アノードガス、カソードガス、及び冷却水の排出穴を有している。
As a conventional separator for a single cell of a fuel cell, for example, one disclosed in
このセパレータは、供給穴と流通領域との間に、多数のリブを備えた整流領域を有している。これらのリブは、ガス又は冷却水の流通方向に直交する方向を長手方向にして、前記流通方向と、これに直交する方向とに所定間隔で配列してあると共に、供給穴から流通領域に至る方向においては、リブの長さが段階的に短いものとなっている。 The separator has a flow straightening area with a number of ribs between the feed holes and the flow area. These ribs are arranged at predetermined intervals in the flow direction and in the direction orthogonal to the flow direction, with the direction orthogonal to the flow direction of gas or cooling water as the longitudinal direction, and extend from the supply hole to the flow area In the direction, the length of the rib is reduced stepwise.
ところが、上記したような従来の単セル用セパレータにあっては、整流領域に配置した多数のリブによってガスや冷却水の圧力損失が高くなり、ガスや冷却水の供給に高出力の供給源を使用せざるを得ないなどの問題点があることから、このような問題点を解決することが課題であった。 However, in the conventional single-cell separator as described above, the pressure loss of the gas and the cooling water becomes high due to the large number of ribs disposed in the flow straightening region, and a high output supply source is used to supply the gas and the cooling water. The problem was that it was necessary to solve such problems because there were problems such as having to use it.
本発明は、上記従来の課題に着目して成されたものであって、ガスや冷却水の流通領域とマニホールド穴との間にディフューザ領域を有する単セル用セパレータにおいて、ディフューザ領域における圧力損失を低減することができるうえに、ガスや冷却水の流通領域に対する分配性能を向上させることができる単セル用セパレータを提供することを目的としている。 The present invention has been made focusing on the above-mentioned conventional problems, and in a unit cell separator having a diffuser area between a flow area of gas or cooling water and a manifold hole, pressure loss in the diffuser area is reduced. It is an object of the present invention to provide a single cell separator that can be reduced and can improve the distribution performance of gas and cooling water to the flow area.
本発明に係わる単セル用セパレータは、燃料電池の単セルにおいて膜電極接合体に相対向する一方の面でガス流路を形成し且つ他方の面で冷却液流路を形成するものである。この単セル用セパレータは、膜電極接合体の発電領域に対応する流通領域と、流通領域を間にして配置され且つガス及び冷却液の供給及び排出を行う夫々のマニホールド穴と、流路領域とマニホールド穴との間の領域であるディフューザ領域とを有している。そして、単セル用セパレータは、少なくとも供給用のマニホールド穴に隣接するディフューザ領域を上流側の範囲と下流側の範囲に区分し、ガスの流れを制御するガス制御領域と、冷却液の流れを制御する冷却液制御領域とを、表裏で互いに異なる範囲に配置し、ガス流路側の面において、ガス制御領域に、少なくとも１つ以上の拡散用の制御凸部を備えていると共に、冷却液制御領域の裏側領域に、少なくとも１つ以上の容積拡大用の制御凹部を備えていることを特徴とし、若しくは、冷却液流路側の面において、ガス制御領域の裏側領域に、少なくとも１つ以上の容積拡大用の制御凹部を備えていると共に、冷却液制御領域に、少なくとも１つ以上の拡散用の制御凸部を備えていることを特徴としている。 The single-cell separator according to the present invention forms a gas flow path on one side opposite to the membrane electrode assembly in a single cell of a fuel cell and forms a coolant flow path on the other side. The single cell separator includes a flow area corresponding to the power generation area of the membrane electrode assembly, manifold holes disposed between the flow area to supply and discharge the gas and the coolant, and a flow path area. And a diffuser area which is an area between the manifold holes. The single cell separator divides the diffuser area adjacent to at least the manifold hole for supply into the upstream area and the downstream area, and controls the gas control area that controls the flow of gas, and the flow of the coolant. Are arranged in mutually different ranges on the front and back, and at least one or more diffusion control projections in the gas control area on the gas flow path side, and the coolant control area At least one or more control recesses for volume expansion in the back side area of the gas flow sensor, or at least one or more volume expansions in the back side area of the gas control area in the surface on the coolant flow path side It is characterized in that a control control recess is provided and at least one or more diffusion control protrusions are provided in the coolant control region .
本発明に係わる単セル用セパレータは、ガス流路側の面においては、ディフューザ領域の上流側及び下流側のうちの一方側の範囲に、ガス制御領域を配置し、冷却液流路側の面においては、ディフューザ領域の他方側の範囲に、冷却液制御領域を配置したので、いずれの面においても、ディフューザ領域における圧力損失が低くなり、流路領域に対してガスや冷却液が良好に分配されることとなる。 In the separator for a single cell according to the present invention, the gas control region is disposed in the range on one of the upstream side and the downstream side of the diffuser region on the surface on the gas flow channel side, and on the surface on the coolant flow channel side. Because the coolant control region is disposed in the range on the other side of the diffuser region, the pressure loss in the diffuser region is low on any surface, and the gas and the coolant are well distributed to the flow passage region. It will be.
これにより、単セル用セパレータは、ガスや冷却水の流通領域とマニホールド穴との間にディフューザ領域を有する単セル用セパレータにおいて、ディフューザ領域における圧力損失を低減することができるうえに、ガスや冷却水の流通領域に対する分配性能を向上させることができる。また、ガスや冷却水の供給に低出力の供給源を使用することが可能になるので、供給源の小型軽量化や低コスト化などにも貢献することができる。 Thereby, in the single cell separator having the diffuser area between the flow area of the gas or the cooling water and the manifold hole, the single cell separator can reduce the pressure loss in the diffuser area, and can reduce the gas and the cooling. The distribution performance to the water distribution area can be improved. In addition, since it is possible to use a low output supply source for supplying gas and cooling water, it is possible to contribute to reduction in size, weight and cost of the supply source.
〈第１実施形態〉
図１〜図４は、本発明に係る単セル用セパレータの第１実施形態を説明する図である。
図１に示す燃料電池スタックＦＳは、複数の単セルＣを積層して成る積層体Ａを備えている。また、燃料電池スタックＦＳは、積層体Ａの一方の端部（図中で右端部）に、集電体５４Ａ、セパレータ５５及びエンドプレート５６Ａを配置すると共に、他方の端部に、集電体５４Ｂ及びエンドプレート５６Ｂを配置している。図示の単セルＣは、矩形状を成すものである。
First Embodiment
FIGS. 1-4 is a figure explaining 1st Embodiment of the separator for single cells based on this invention.
The fuel cell stack FS shown in FIG. 1 includes a stack A formed by stacking a plurality of single cells C. In the fuel cell stack FS, the
さらに、燃料電池スタックＦＳは、単セルＣの長辺側となる両面（図１中で上下面）に、締結板５７Ａ，５７Ｂを配置すると共に、短辺側となる両面に、補強板５８Ａ，５８Ｂを配置し、締結板５７Ａ，５７Ｂ及び補強板５８Ａ，５８Ｂを、ボルトＢにより両エンドプレート５６Ａ，５６Ｂに連結する。これにより、燃料電池スタックＦＳは、図１（Ｂ）に示すようにケース一体化型構造となり、積層体Ａをその積層方向に拘束・加圧して個々の単セルＣに所定の接触面圧を加え、ガスシール性や導電性等を良好に維持する。
Further, in the fuel cell stack FS, the
単セルＣは、図２にも示すように、周囲にフレーム１を有する膜電極接合体２と、フレーム１及び膜電極接合体２を挟持する一対の単セル用セパレータ（以下、「セパレータ」とする。）３，３とを備えている。この単セルＣは、図３に示すように、フレーム１及び膜電極接合体２と一方のセパレータ３との間に、アノードガス（水素含有ガス）のガス流路ＦＡを形成し、フレーム１及び膜電極接合体２と他方のセパレータ３との間に、カソードガス（酸素含有ガス：例えば空気水素含有ガス）のガス流路ＦＢを形成している。また、上記の燃料電池スタックＦＳでは、単セルＣ同士の間に冷却液（例えば水）の冷却液流路ＦＣを形成している。
As shown also in FIG. 2, the unit cell C is a
フレーム１は、例えば樹脂製であって、その中央に配置した膜電極接合体２と一体化されている。膜電極接合体２は、一般に、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly)と呼ばれるものであって、図３に一部を示すように、固体高分子から成る電解質層２Ａをアノード電極層２Ｂとカソード電極層２Ｃとで挟持した構造を有している。
The
各セパレータ３は、例えばステンレス製であって、少なくとも膜電極接合体１に対応する部分が、長辺方向に連続する断面凹凸形状に形成してある。各セパレータ３は、その断面凹凸形状の部分において、膜電極接合体１に波形凸部を接触させると共に、波形凹部と膜電極接合体１との間に、長辺方向に連通するガス流路を形成する。
Each
ここで、各単セルＣのフレーム１及びセパレータ３は、図２に示すように、積層状態で互いに連通して流体用のマニホールドを形成するマニホールド穴Ｈ１〜Ｈ６を有している。図示例では、単セルＣの両側の短辺に沿って、夫々３個ずつのマニホールド穴Ｈ１〜Ｈ３，Ｈ４〜Ｈ６を有している。また、フレーム１及びセパレータ３の周縁部や、マニホールド穴Ｈ１〜Ｈ３，Ｈ４〜Ｈ６の周縁部には、ガスや冷却水に対する密封性を維持するシールラインＳＬが設けてある。
Here, as shown in FIG. 2, the
一例として、図２中の左側のマニホールド穴Ｈ１〜Ｈ３は、上から順に、カソードガス供給用（Ｈ１）、冷却液供給用（Ｈ２）、アノードガス供給用（Ｈ３）である。また、図２中の右側のマニホールド穴Ｈ４〜Ｈ６は、上から順に、アノードガス排出用（Ｈ４）、冷却液排出用（Ｈ５）、カソードガス排出用（Ｈ６）である。 As an example, the manifold holes H1 to H3 on the left side in FIG. 2 are a cathode gas supply (H1), a coolant supply (H2), and an anode gas supply (H3) in order from the top. Further, the manifold holes H4 to H6 on the right side in FIG. 2 are an anode gas discharge (H4), a coolant discharge (H5), and a cathode gas discharge (H6) in order from the top.
また、フレーム１及びセパレータ３の周縁部や、マニホールド穴Ｈ１〜Ｈ６の周縁部には、ガスや冷却水に対するシーリングであるシールラインＳＬが設けてあり、とくに、マニホールド穴Ｈ１〜Ｈ６の周縁部においては、各層間に対して該当する流体（ガスや冷却液）を流通させるために開放部分が設けてある。
In addition, seal lines SL for sealing against gas and cooling water are provided at the peripheral portions of the
上記の燃料電池スタックＦＳを構成する単セルＣにおいて、セパレータ３は、図３に示すように、膜電極接合体１に相対向する一方の面でガス流路ＦＡ（ＦＢ）を形成し且つ他方の面で冷却液流路ＦＣを形成する。
In the unit cell C constituting the above fuel cell stack FS, as shown in FIG. 3, the
また、セパレータ３は、図２に示すように、膜電極接合体２の発電領域に対応する流通領域Ｆと、流通領域Ｆを間にして配置され且つガス及び冷却液の供給及び排出を行う夫々のマニホールド穴Ｈ１〜Ｈ６と、流路領域Ｆとマニホールド穴Ｈ１〜Ｈ６との間の領域であるディフューザ領域Ｄ，Ｄとを有している。なお、流通領域Ｆは、先述した膜電極接合体１に対応する部分である断面凹凸形状の部分である。
In addition, as shown in FIG. 2, the
そして、セパレータ３は、図４に示すように、少なくとも供給用のマニホールド穴Ｈ１〜Ｈ３に隣接するディフューザ領域Ｄを、マニホールド穴Ｈ１〜Ｈ３側である上流側の範囲と、流通領域Ｆ側である下流側の範囲に区分し、ガスの流れを制御するガス制御領域ＧＡと、冷却液の流れを制御する冷却液制御領域ＣＡとを、表裏で互いに異なる範囲に配置したものとなっている。なお、図４に示すセパレータ３は、図１及び図２に示すものに対してマニホールド穴Ｈ１〜Ｈ３の形状が異なっているが、機能は同等である。
And, as shown in FIG. 4, the
より具体的には、セパレータ３は、図４（Ａ）に示すガス流路ＦＡ（ＦＢ）側の面における下流側（図中で右側）の範囲に、ガス制御領域ＧＡを配置すると共に、図４（Ｂ）に示す冷却液流路ＦＣ側の面における上流側（図中で左側）の範囲に、冷却液制御領ＣＡ域を配置したものとなっている。これにより、セパレータ３は、いずれの面においても、ディフューザ領域Ｄにおける圧力損失が低くなり、流路領域Ｆに対してガスや冷却液の良好な分配性が得られる。
More specifically, in the
また、ガスと冷却液とでは、粘性や供給圧力等の条件が異なるから、とくに、ガス流路ＦＡ（ＦＢ）側の面においては、ディフューザ領域Ｄの下流側の範囲に、ガス制御領域ＧＡを配置することで、マニホールド穴Ｈ１から供給されたガスが、図４（Ａ）中の矢印で示すように、供給直後には抵抗なく流れ、流通領域Ｆの直前のガス制御領域ＧＡで拡散されるので、圧力損失を低減しつつ流通領域Ｆに対する分配性が向上する。 Further, since the conditions such as viscosity and supply pressure are different between the gas and the coolant, the gas control area GA is provided in the range on the downstream side of the diffuser area D, particularly on the surface on the gas flow path FA (FB) side. By arranging, the gas supplied from the manifold hole H1 flows without resistance immediately after the supply as shown by the arrow in FIG. 4A, and is diffused in the gas control area GA just before the distribution area F. Therefore, the distribution to the flow area F is improved while reducing the pressure loss.
さらに、セパレータ３は、冷却液流路ＦＣ側の面において、上流側の範囲に、冷却液制御領ＣＡ域を配置することで、図４（Ｂ）中の矢印で示すように、マニホールド穴Ｈ２から供給された冷却液が供給直後に拡散され、その後は抵抗なく流れるので圧力損失を低減しつつ流通領域Ｆに対する分配性が向上する。
Further, by disposing the coolant control area CA in the range on the upstream side of the
このようにして、セパレータ３は、ガスや冷却水の流通領域Ｆとマニホールド穴Ｈ１〜Ｈ３との間にディフューザ領域Ｄを有する構造において、ディフューザ領域Ｄにおける圧力損失を大幅に低減することができるうえに、ガスや冷却水の流通領域Ｆに対する分配性能を向上させることができる。
In this manner, the
また、セパレータ３は、ガスや冷却液の分配性能の向上により、流通領域Ｆにおけるガスや冷却液の流量が均一化され、発電効率や冷却効率も向上する。さらに、ガスや冷却水の供給に低出力の供給源を使用することが可能になるので、供給源の小型軽量化や低コスト化などにも貢献することができる。
Further, in the
図５〜図１０は、本発明に係わる燃料電池の単セル用セパレータの第２〜第６の実施形態を説明する図である。以下の各実施形態において、第１実施形態と同一の構成部位は、同一符号を付して詳細な説明を省略する。 5 to 10 are views for explaining second to sixth embodiments of a single cell separator of a fuel cell according to the present invention. In the following embodiments, the same components as those of the first embodiment are denoted by the same reference numerals and the detailed description thereof is omitted.
〈第２実施形態〉
図５（Ａ）に示すセパレータ３は、ガス流路ＦＡ（ＦＢ）側の面において、ディフューザ領域Ｄの下流側の範囲に、ガス制御領域ＧＡを配置すると共に、図示の裏面である冷却液流路ＦＣ側の面において、上流側の範囲に、冷却液制御領域ＣＡを配置している。
Second Embodiment
In the
そして、セパレータ３は、ガス流路ＦＡ（ＦＢ）側の面において、下流側のガス制御領域ＧＡに、少なくとも１つ以上の拡散用の制御凸部１０を備えていると共に、冷却液制御領域ＣＡの裏側領域（下流側の範囲）に、少なくとも１つ以上の容積拡大用の制御凹部２０を備えている。
The
ガス制御領域ＧＡに設けた制御凸部１０は、図５（Ｃ）に示すように、セパレータ３に対して、一体的に突出成形されている。また、冷却液制御領域ＣＡの裏側領域（下流側の範囲）に設けた制御凹部２０は、セパレータ素材を表裏反転形状に成形することで形成してある。このため、図５（Ｂ）に示すように、冷却液流路ＦＣ側である冷却液制御領域ＣＡには、制御凹部２０の反転形状である制御凸部１０が形成されている。
The control
ガス制御領域ＧＡに設けた制御凸部１０は、平面視円形状を成しており、縦横に所定間隔で配列してある。図示例の制御凸部１０は多数である。また、冷却液制御領域ＣＡの裏側領域に設けた制御凹部２０は、一方向に連続する溝状を成しており、セパレータ３の短辺に沿う方向を長手方向にして所定間隔で配列してある。図示例の制御凹部２０は３個である。ここで、制御凹部２０は、溝状であるから、図５（Ａ）の裏側である冷却液制御領域ＣＡでは、一方向に連続するリブ状の制御凸部１０になっている。
The control protrusions 10 provided in the gas control area GA have a circular shape in a plan view, and are arranged at predetermined intervals in the vertical and horizontal directions. The control
上記構成を備えたセパレータ３は、ガス流路ＦＡ（ＦＢ）側の面のディフューザ領域Ｄにおいて、マニホールド穴Ｈ１から供給されたガスが、図５（Ａ）中の矢印で示すように、抵抗なく流れた後に、流通領域Ｆの直前のガス制御領域ＧＡで拡散されるので、圧力損失を低減しつつ流通領域Ｆに対する分配性が向上する。
With the
さらに、セパレータ３は、ガス流路ＦＡ（ＦＢ）側の面のディフューザ領域Ｄにおいて、冷却液制御領域ＣＡの裏側領域（上流側の範囲）では、制御凹部２０により流路の容積が部分的に拡大され、ガスの流れの偏りが防止されるので、圧力損失を低減しつつ流通領域Ｆに対する分配性を高めることができる。
Furthermore, in the diffuser area D of the surface on the gas flow path FA (FB) side, the
すなわち、単セルＣでは、例えばディフューザ領域Ｄに制御部分がない場合、マニホールド穴Ｈ１から供給されたガス（冷却液）は、最短距離を流れようとして一部に集中し、流通領域Ｆに対するガス（冷却液）の分配性が低下する。これに対して、上記のセパレータ３は、制御突起１０によりガス（冷却液）を拡散させることにより、流通領域Ｆに対するガス（冷却液）の分配性を高めることができる。また、セパレータ３は、制御凹部２０により流路の容積を部分的に拡大することによっても、ガス（冷却液）の流れが一部に集中するのを防止し、流通領域Ｆに対する分配性を高めることができる。
That is, in the single cell C, for example, when there is no control part in the diffuser area D, the gas (coolant) supplied from the manifold hole H1 is concentrated to a part to flow in the shortest distance. The distribution of the cooling fluid is reduced. On the other hand, the
また、この実施形態のセパレータ３では、図５（Ａ）の裏側である冷却液流路ＦＡ（ＦＢ）側の面において、ディフューザ領域Ｄの冷却液制御領域ＣＡに制御凸部１０が形成されているので、マニホールド穴Ｈ２から供給された冷却液が、制御凸部１０によって供給直後に拡散された後に流通領域Ｆに流れる（図４Ｂ参照）ので、圧力損失を低減しつつ流通領域Ｆに対する冷却液の分配性を向上させることができる。
Further, in the
〈第３実施形態〉
図６（Ａ）に示すセパレータ３は、ガス流路ＦＡ（ＦＢ）側の面において、ディフューザ領域Ｄの下流側の範囲に、ガス制御領域ＧＡを配置すると共に、冷却液流路ＦＣ側の面において、ディフューザ領域Ｄの上流側の範囲に、冷却液制御領域ＣＡを配置している。
Third Embodiment
In the
また、セパレータ３は、冷却液流路ＦＣ側の面において、ガス制御領域ＧＡの裏側領域（下流側の範囲）に、少なくとも１つ以上の容積拡大用の制御凹部２０を備えると共に、冷却液制御領域ＣＡに、冷却液の拡散を行うための少なくとも１つ以上の制御凸部１０を備えている。
Further, the
冷却液制御領域ＣＡに設けた制御凸部１０は、図６（Ｂ）に示すように、セパレータ３に対して、一体的に突出成形されている。また、ガス制御領域ＧＡの裏側領域に設けた制御凹部２０は、セパレータ素材を表裏反転形状に成形することで形成してある。このため、図６（Ｃ）に示すように、ガス流路ＦＡ（ＦＢ）側であるガス制御領域ＧＡには、制御凹部２０の反転形状である制御凸部１０が形成されている。
As shown in FIG. 6B, the control
冷却液制御領域ＣＡに設けた制御凸部１０は、平面視で一方向に連続するリブ状を成しており、セパレータ３の短辺に沿う方向を長手方向にして所定間隔で配列してある。図示例の制御凸部１０は３個である。また、ガス制御領域ＧＡの裏側領域（下流側の範囲）に設けた制御凹部２０は、平面視で円形を成しており、縦横に所定間隔で配列してある。図示例の制御凹部２０は多数である。これにより、図６（Ａ）の裏側であるガス制御領域ＧＡには、制御凹部２０の反転形状である制御凸部１０が縦横に多数配列されている。
The control protrusions 10 provided in the coolant control area CA have a rib shape continuous in one direction in plan view, and are arranged at predetermined intervals with the direction along the short side of the
上記構成を備えたセパレータ３は、冷却液流路ＦＣ側の面のディフューザ領域Ｄにおいて、マニホールド穴Ｈ２から供給された冷却液が、図６（Ａ）中の矢印で示すように、制御凸部１０によって供給直後に拡散され、流通領域Ｆに対する冷却液の分配性を向上させることができる。また、セパレータ３は、ガス制御領域ＧＡの裏側領域（下流側の範囲）では、制御凹部２０により流路の容積が部分的に拡大され、冷却液の流れが一部に集中するのを防止する。これにより、上記のセパレータ３は、圧力損失を低減しつつ冷却液の分配性を高めることができる。
The
また、この実施形態のセパレータ３では、図６（Ａ）の裏側であるガス流路ＦＡ（ＦＢ）側の面において、ディフューザ領域Ｄのガス液制御領域ＧＡに制御凸部１０が形成されているので、マニホールド穴Ｈ１から供給されたガスが、供給直後は抵抗なく流れ、流通領域Ｆの直前のガス制御領域ＧＡで拡散（図４Ａ参照）されるので、圧力損失を低減しつつ流通領域Ｆに対するガスの分配性が向上する。
Further, in the
〈変形例〉
ここで、図７は、本発明に係わる単セル用セパレータの変形例を説明する図である。
セパレータ３の制御凸部１０は、先の図５（Ｃ）及び図６（Ｂ）に示すように、セパレータ３に一体成形することが可能である。また、セパレータ３の制御凸部１０は、図７（Ｂ１）及び（Ｃ１）に示すように、別部品により形成しても良いし、図７（Ｂ２）及び（Ｃ２）に示すように、表裏反転形状にすることで、その裏側を制御凹部２０を形成することもできる。
<Modification example>
Here, FIG. 7 is a view for explaining a modification of the single cell separator according to the present invention.
The control
セパレータ３は、セパレータ素材を熱間プレス、冷間プレス、及びハイドロフォーミングのいずれかで成形することにより、表裏反転形状に形成することができる。これにより、容易に大量生産することが可能であると共に、図５（Ａ）及び図６（Ａ）に示すセパレータ３、すなわち表裏に制御凸部１０及び制御凹部２０を有するセパレータ３を一度の加工で得ることができる。
The
また、セパレータ３に設ける制御凸部１０及び制御凹部２０は、その形状が特に限定されるものではないが、例えば、一方向に連続するリブ形、円形、及び楕円形のいずれかにすることができる。とくに、制御凸部１０は、円形や楕円形にした場合には、流路抵抗の低減を図ることができる。
Further, the shape of the control
さらに、セパレータ３の制御凸部１０は、ガス流路ＦＡ（ＦＢ）又は冷却液流路ＦＣを形成する相手部品に当接する突出高さを有する構成にすることができる。相手部品とは、ガス流路ＦＡ（ＦＢ）側の面ではフレーム１であり、冷却液流路ＦＣ側の面では、図６（Ｂ）に示すように単セルＣを積層した際に隣接する単セルＣのセパレータ３である。
Furthermore, the control
上記のセパレータ３は、制御凸部１０を相手部品に当接させることで、ガス流路ＦＡ（ＦＢ）及び冷却液流路ＦＣを高さ（厚さ）を維持すると同時に、各流路の狭窄を防止し、ガスや冷却液の流通性を良好に保つことができる。
The above-described
〈第５実施形態〉
図８に示すセパレータ３は、冷却液流路ＦＣ側の面において、ディフューザ領域Ｄの冷却液制御領域ＣＡに、平面視で円形状と楕円形状の制御凸部１０を複数配置したものである。図示例では、図中で右方向となる冷却液の供給方向に対して、円形の制御凸部１０と楕円形の制御凸部１０とを所定間隔で直列配置して、これを１組とし、前記供給方向に直交する方向に複数組を所定間隔で配置したものである。
Fifth Embodiment
The
上記のセパレータ３は、マニホールド穴Ｈ２から供給された冷却液が、図中の矢印で示すように、制御凸部１０によって供給直後に放射状に拡散され、その後抵抗なく流れるので、圧力損失を低減しつつ流通領域Ｆに対する冷却液の分配性をより向上させることができる。
The above-described
〈第５及び第６の実施形態〉
図９及び図１０に示すセパレータ３は、ガス流路ＦＡ（ＦＢ）側の面において、ガス制御領域ＧＡとガス用のマニホールド穴Ｈ１，Ｈ３との間に、別の制御凸部１１を設けた構成である。
Fifth and Sixth Embodiments
In the
図９に示すセパレータ３は、ガス制御領域ＧＡとガス用のマニホールド穴Ｈ１，Ｈ３との間に、平面視で楕円形状の制御凸部１１を２個配列した構成であり、冷却液制御領域ＣＡの裏側領域に、制御凹部２０を備えている。また、図１０に示すセパレータ３は、ガス制御領域ＧＡとガス用のマニホールド穴Ｈ１，Ｈ３との間に、平面視で円形状の制御凸部１１を４個配列した構成である。
The
これらの制御凸部１１は、ガス流路ＦＡ（ＦＢ）を形成する相手部品、すなわちフレーム１に当接する突出高さを有する構成にすることがより望ましい。
It is more desirable that these control
上記構成を備えたセパレータ３は、先の各実施形態と同様の作用及び効果を得ることができるうえに、ガス制御領域ＧＡとガス用のマニホールド穴Ｈ１，Ｈ３との間に設けた制御凸部１１により、マニホールド穴Ｈ１，Ｈ３から供給された直後のガスを拡散させる。これにより、セパレータ３は、ガス制御領域ＧＡにおけるガスの拡散をより促進させて、流通領域Ｆに対するガスの分配性をより向上させる。
The
また、セパレータ３は、上記の制御凸部１１を相手部材であるフレーム１に当接させることで、ガス流路の高さ（厚み）を維持すると同時に、フレーム１を支持することができる。これにより、例えば、薄型化に有利なフィルム状のフレーム１を使用した単セルＣにも適用することができ、フレーム１の撓みを防止しつつガスの良好な流通性を確保することができる。
Further, the
上記の各実施形態で説明した単セル用セパレータ３を備えた単セルＣ、及び単セルＣを複数積層して成る燃料電池スタックＦＳは、ガス及び冷却液の流通性の向上に伴って、発電機能及び冷却機能がより一層高められる。
The unit cell C including the
本発明に係わる燃料電池スタックは、その構成が上記各実施形態のみに限定されるものではなく、例えば、制御凸部及び制御凹部の形状や大きさ、数などを適宜変更することができ、上記各実施形態の構成を適宜組み合わせたりすることも可能である。また、各実施形態では、セパレータの供給用のマニホールド穴側のみを図示したが、排出用のマニホールド穴Ｈ４〜Ｈ６側（図２参照）に同等の構成を設けることも当然可能である。 The configuration of the fuel cell stack according to the present invention is not limited to the above embodiments. For example, the shape, size, number and the like of the control convex portion and the control concave portion can be appropriately changed. It is also possible to appropriately combine the configurations of the respective embodiments. Further, in each embodiment, only the manifold hole side for supplying the separator is illustrated, but it is naturally possible to provide an equivalent configuration on the side of the manifold holes H4 to H6 for discharge (see FIG. 2).
Ｃ 単セル
ＣＡ 冷却液制御領域
Ｄ ディフューザ領域
Ｆ 流通領域
ＦＡ，ＦＢ ガス流路
ＦＳ 燃料電池スタック
１ 膜電極接合体
ＦＣ 冷却液流路
ＧＡ ガス制御領域
Ｈ１〜Ｈ３ 供給用のマニホールド穴
Ｈ４〜Ｈ６ 排出用のマニホールド穴
３ セル用セパレータ
１０，１１ 制御凸部
２０ 制御凹部
C Single cell CA Coolant control area D Diffuser area F Distribution area FA, FB Gas flow path FS
Claims (11)
膜電極接合体の発電領域に対応する流通領域と、流通領域を間にして配置され且つガス及び冷却液の供給及び排出を行う夫々のマニホールド穴と、流路領域とマニホールド穴との間の領域であるディフューザ領域とを有し、
少なくとも供給用のマニホールド穴に隣接するディフューザ領域を上流側の範囲と下流側の範囲に区分し、ガスの流れを制御するガス制御領域と、冷却液の流れを制御する冷却液制御領域とを、表裏で互いに異なる範囲に配置し、
ガス流路側の面において、ガス制御領域に、少なくとも１つ以上の拡散用の制御凸部を備えていると共に、冷却液制御領域の裏側領域に、少なくとも１つ以上の容積拡大用の制御凹部を備えていることを特徴とする単セル用セパレータ。 A separator for a single cell, in which a gas flow path is formed on one side opposite to a membrane electrode assembly in a unit cell of a fuel cell and a cooling liquid flow path is formed on the other side,
A flow passage region corresponding to the power generation region of the membrane electrode assembly, each manifold hole disposed between the flow passage regions for supplying and discharging the gas and the coolant, a region between the flow passage region and the manifold hole And a diffuser region that is
At least a diffuser area adjacent to a manifold hole for supply is divided into an upstream area and a downstream area, and a gas control area that controls the flow of gas and a coolant control area that controls the flow of coolant. Arrange them in different ranges on the front and back ,
On the gas flow path side, at least one or more diffusion control projections are provided in the gas control area, and at least one or more volume expansion control recesses are provided in the back side area of the coolant control area. A separator for a single cell characterized by comprising.
膜電極接合体の発電領域に対応する流通領域と、流通領域を間にして配置され且つガス及び冷却液の供給及び排出を行う夫々のマニホールド穴と、流路領域とマニホールド穴との間の領域であるディフューザ領域とを有し、
少なくとも供給用のマニホールド穴に隣接するディフューザ領域を上流側の範囲と下流側の範囲に区分し、ガスの流れを制御するガス制御領域と、冷却液の流れを制御する冷却液制御領域とを、表裏で互いに異なる範囲に配置し、
冷却液流路側の面において、ガス制御領域の裏側領域に、少なくとも１つ以上の容積拡大用の制御凹部を備えていると共に、冷却液制御領域に、少なくとも１つ以上の拡散用の制御凸部を備えていることを特徴とする単セル用セパレータ。 A separator for a single cell, in which a gas flow path is formed on one side opposite to a membrane electrode assembly in a unit cell of a fuel cell and a cooling liquid flow path is formed on the other side,
A flow passage region corresponding to the power generation region of the membrane electrode assembly, each manifold hole disposed between the flow passage regions for supplying and discharging the gas and the coolant, a region between the flow passage region and the manifold hole And a diffuser region that is
At least a diffuser area adjacent to a manifold hole for supply is divided into an upstream area and a downstream area, and a gas control area that controls the flow of gas and a coolant control area that controls the flow of coolant. Arrange them in different ranges on the front and back ,
In the surface on the coolant flow path side, at least one or more control recesses for volume expansion are provided in the back region of the gas control region, and at least one or more diffusion control protrusions in the coolant control region. A separator for a single cell characterized by comprising:
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