JP6573192B2 - Separator, cell structure and cell stack for fuel cell - Google Patents
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Description
この発明は燃料電池の構成部材としてのセパレータ，セル構造体および該セパレータまたは該セル構造体を含む構成部材を組合せたセル・スタックに関する。 The present invention relates to a separator as a component of a fuel cell, a cell structure, and a cell stack in which the separator or a component including the cell structure is combined.
流体供給拡散層と一体型の新しいタイプの燃料電池用セパレータおよびこのタイプのセパレータを組合せて構成される新しいタイプのセル・スタックについて，出願人は，先に提案した。 The applicant has previously proposed a new type of fuel cell separator integrated with a fluid supply diffusion layer and a new type of cell stack constructed by combining this type of separator.
この特許文献１に開示された燃料電池セル・スタックは，アノード・ガス，カソード・ガス，冷却水等の流体を，それぞれ均一に供給，拡散させることのできる多種類の流体供給拡散層一体型セパレータを組合せかつ積層して構成されるものである。各セパレータは，金属板の少なくとも一面に耐食層が形成され，この耐食層上に，対応する流体のための流体供給拡散層が導電性多孔質層により形成されているものである。アノード・ガスおよびカソード・ガス用の２種類のセパレータは，それらの流体供給拡散層の間に，電解質膜およびその両面の触媒層を挟んで対向するように配置される。 The fuel cell stack disclosed in Patent Document 1 is a separator with a variety of fluid supply diffusion layers that can uniformly supply and diffuse fluids such as anode gas, cathode gas, and cooling water. Are combined and laminated. Each separator has a corrosion-resistant layer formed on at least one surface of a metal plate, and a fluid supply diffusion layer for a corresponding fluid is formed on the corrosion-resistant layer by a conductive porous layer. The two types of separators for anode gas and cathode gas are arranged so as to face each other with the electrolyte membrane and the catalyst layers on both sides thereof sandwiched between the fluid supply diffusion layers.
各セパレータにおいて，多孔質層よりなる流体供給拡散層に流体をできるだけ均一に供給，拡散させることができるように，流体供給拡散層の一部として，流体の供給側から排出側に向う方向に交叉する均等化層が，少なくとも流体の供給側に形成されている。 In each separator, as a part of the fluid supply diffusion layer, the fluid supply diffusion layer is crossed in the direction from the fluid supply side to the discharge side so that the fluid can be supplied and diffused as uniformly as possible to the fluid supply diffusion layer composed of the porous layer. The equalizing layer is formed at least on the fluid supply side.
この発明は，先に提案した流体供給拡散層一体型燃料電池用セパレータおよびこのタイプのセパレータを組合せて構成されるセル・スタックをさらに改良するものである。この発明はまた，新しい形態のセル構造体を提供するものである。 The present invention further improves the previously proposed fluid supply diffusion layer integrated fuel cell separator and a cell stack formed by combining this type of separator. The present invention also provides a new type of cell structure.
すなわち，この発明はセパレータに供給される各種流体（カソード流体，アノード流体，冷却水等）を，さらに均一に供給，拡散させることができる構造を提供するものである。カソードおよび／またはアノードに供給される流体はガスまたは液体のいずれであってもよいが，以下，それぞれガスとして例示する。 That is, the present invention provides a structure that can supply and diffuse various fluids (cathode fluid, anode fluid, cooling water, etc.) supplied to the separator more uniformly. The fluid supplied to the cathode and / or the anode may be either a gas or a liquid, but will be exemplified below as a gas.
この発明はまた，セパレータの流体供給口，排出口間の圧力損失を大幅に低減できる構造を提供するものである。 The present invention also provides a structure that can significantly reduce the pressure loss between the fluid supply port and the discharge port of the separator.
この発明はさらに，各種流体用の上記セパレータまたはセル構造体および他の構成要素を積層して形成される燃料電池セル・スタックを提供するものである。 The present invention further provides a fuel cell stack formed by laminating the separator or cell structure for various fluids and other components.
この発明による燃料電池のためのセパレータは，金属板の少なくとも一面に，それぞれ多孔質層により形成された複数の流体供給拡散層ブロック（区画）が設けられ，各流体供給拡散層ブロックは，流体が該ブロックに入る流入部分と，流体が該ブロックから出る流出部分とを有し，各流体供給拡散層ブロックの流入部分は，供給通路によってそれぞれ流体供給口に連通し，各流体供給拡散層ブロックの流出部分は，排出通路によってそれぞれ流体排出口に連通しているものである。 The separator for a fuel cell according to the present invention is provided with a plurality of fluid supply diffusion layer blocks (partitions) each formed of a porous layer on at least one surface of a metal plate. An inflow portion entering the block and an outflow portion from which the fluid exits the block. The inflow portion of each fluid supply diffusion layer block communicates with the fluid supply port through a supply passage, and each fluid supply diffusion layer block The outflow portions are respectively communicated with the fluid discharge ports by the discharge passages.
要するに，セパレータを構成する一枚の金属板上の流体供給拡散層が複数のブロックに分割（区画化）され，これらの複数のブロックがセパレータの流体供給口と流体排出口との間において，流体の流れに関して，並列に接続されている。複数のブロックの並列接続は，複数のブロックに共通の供給通路と共通の排出通路によって実現されている。供給通路，排出通路が流体圧を複数のブロック間に均等化する（均等圧化通路）。供給通路，排出通路は，流体の流通を妨げるものがない通路空間である。このセパレータは，燃料電池で用いられる各種流体（カソード・ガス，アノード・ガス，冷却水等）について適用できる（流体の種類に応じて多孔質層の気孔率（流体抵抗），厚さ，ブロックの数等の設計上のパラメータは変わる）。 In short, the fluid supply diffusion layer on one metal plate constituting the separator is divided (partitioned) into a plurality of blocks, and the plurality of blocks are arranged between the fluid supply port and the fluid discharge port of the separator. Are connected in parallel. The parallel connection of a plurality of blocks is realized by a supply passage common to the plurality of blocks and a common discharge passage. The supply passage and the discharge passage equalize the fluid pressure among a plurality of blocks (equal pressure equalization passage). The supply passage and the discharge passage are passage spaces that do not hinder the flow of fluid. This separator can be applied to various fluids (cathode gas, anode gas, cooling water, etc.) used in fuel cells (porosity (fluid resistance) of porous layer (fluid resistance), thickness, block Design parameters such as number vary).
このようにして，複数の流体供給拡散層ブロックにおける流体供給側，排出側の圧力をそれぞれ均等化することができる。一つのセパレータにおける流体供給拡散層は複数のブロックに区画化され，これらのブロックが流体の流れに関して並列に接続されているから，流体供給側から排出側までの流体抵抗は，ブロック化されていない場合に比べて，ほぼブロックの数で除した値程度まで低下し，セパレータ内における流体損失が大幅に低減する。これにより流体供給動力の大幅な低減が可能となる。流体供給拡散層ブロックは多孔質層により形成されているから，流体は多孔質層の全面に拡散し，流体をほぼ均一に分布させることが可能である。ガスの場合にはカソード側，アノード側に効率的に供給できるし，冷却水の場合には両方向にほぼ均一に冷却できる。複数の流体供給拡散層ブロックは，流体供給口，供給通路，流体排出口，排出通路などの最小限必要な部分の面積を除いて，セパレータのほぼ全面に設けられることが好ましい。アノード・ガス，カソード・ガスを触媒層の全面にほぼくまなく，かつ均等に供給できるので，電池の高出力化とコンパクト化を達成できる。 In this way, the pressures on the fluid supply side and the discharge side in the plurality of fluid supply diffusion layer blocks can be equalized. Since the fluid supply diffusion layer in one separator is divided into a plurality of blocks, and these blocks are connected in parallel with respect to the fluid flow, the fluid resistance from the fluid supply side to the discharge side is not blocked. Compared to the case, the value drops to about the value divided by the number of blocks, and the fluid loss in the separator is greatly reduced. As a result, the fluid supply power can be greatly reduced. Since the fluid supply diffusion layer block is formed of a porous layer, the fluid diffuses over the entire surface of the porous layer, and the fluid can be distributed almost uniformly. In the case of gas, it can be efficiently supplied to the cathode side and the anode side, and in the case of cooling water, it can be cooled almost uniformly in both directions. The plurality of fluid supply diffusion layer blocks are preferably provided on almost the entire surface of the separator except for the areas of the minimum necessary portions such as the fluid supply port, the supply passage, the fluid discharge port, and the discharge passage. Since the anode gas and cathode gas can be supplied almost uniformly over the entire surface of the catalyst layer, high output and compactness of the battery can be achieved.
一つのセパレータに複数の流体供給口，流体排出口がある場合には，流体供給拡散層ブロックをこれらの供給口，排出口ごとにグループ化してもよいし，これらの供給口，排出口をそれぞれ供給通路，排出通路で連通させてもよい。 When one separator has a plurality of fluid supply ports and fluid discharge ports, the fluid supply diffusion layer block may be grouped for each of these supply ports and discharge ports. The supply passage and the discharge passage may communicate with each other.
複数の流体供給拡散層ブロック間は，供給通路，排出通路によって空間的に隔てることができる。必要であれば，供給通路および排出通路の一方を他方から遮断する，または前記ブロックの流入部分および流出部分以外の部分を塞ぐ仕切壁を前記金属板上に設けるとよい。他の実施態様では，前記供給通路から前記流体供給拡散層ブロックの内部に延びる供給溝と，前記流体供給拡散層ブロックの内部から前記排出通路につながる排出溝とが，前記流体供給拡散層ブロックに形成される。 A plurality of fluid supply diffusion layer blocks can be spatially separated by supply passages and discharge passages. If necessary, a partition wall may be provided on the metal plate that blocks one of the supply passage and the discharge passage from the other, or closes a portion other than the inflow portion and the outflow portion of the block. In another embodiment, a supply groove extending from the supply passage to the inside of the fluid supply diffusion layer block and a discharge groove connected from the inside of the fluid supply diffusion layer block to the discharge passage are formed in the fluid supply diffusion layer block. It is formed.
この発明の好ましい実施態様では，前記金属板の少なくとも一面の周囲が緻密枠，好ましくは電気導電性の緻密枠で囲まれ，前記緻密枠の内部の流体供給口（入口），排出口（出口）の部分を除くほぼ全面に前記流体供給拡散層ブロック，前記供給通路および前記排出通路が形成されているものである。 In a preferred embodiment of the present invention, at least one surface of the metal plate is surrounded by a dense frame, preferably an electrically conductive dense frame, and a fluid supply port (inlet) and a discharge port (outlet) inside the dense frame. The fluid supply diffusion layer block, the supply passage, and the discharge passage are formed on substantially the entire surface excluding the portion.
流体供給拡散層ブロックの周囲が緻密枠で囲まれているから流体の漏洩を防止することができる。流体供給拡散層ブロックは緻密枠内のほぼ全面（流体供給口，排出口，供給通路，排出通路等を除く）に設けられているので，カソード，アノードの反応有効領域を全面的に利用でき，発電と集電に最大限に寄与するとともに，後述するようにセパレータや他の構成部材をスタックしたときに，溝などの空間がないので機械的強度を高く保つことができる。 Since the periphery of the fluid supply diffusion layer block is surrounded by a dense frame, fluid leakage can be prevented. Since the fluid supply diffusion layer block is provided on almost the entire surface of the dense frame (excluding the fluid supply port, discharge port, supply passage, discharge passage, etc.), the reaction effective area of the cathode and anode can be used over the entire surface. As well as contributing to power generation and current collection, as described later, when separators and other components are stacked, there is no space such as grooves, so that the mechanical strength can be kept high.
この発明のさらに好ましい実施態様では，前記金属板の少なくとも一面（両面の方が一層好ましい）に耐食層が形成され，前記耐食層の上に前記流体供給拡散層ブロック，前記供給通路および前記排出通路が形成されている。これにより，金属板の耐食性が高まる。金属板に形成される流体供給孔，排出孔の内周面にも耐食層を形成しておくとよい。 In a further preferred embodiment of the present invention, a corrosion-resistant layer is formed on at least one surface (more preferably both surfaces) of the metal plate, and the fluid supply diffusion layer block, the supply passage, and the discharge passage are formed on the corrosion-resistant layer. Is formed. This increases the corrosion resistance of the metal plate. A corrosion-resistant layer may be formed on the inner peripheral surfaces of the fluid supply holes and the discharge holes formed in the metal plate.
この発明の実施態様では，前記流体供給拡散層ブロックは導電性多孔質層である。さらに，金属板上の耐食層も，好ましくは上記緻密枠および仕切壁も導電性を持つ。このようにしてセパレータはその全面において集電能力（機能）を持つ。 In an embodiment of the present invention, the fluid supply diffusion layer block is a conductive porous layer. Furthermore, the corrosion resistant layer on the metal plate, preferably the dense frame and the partition wall, are also conductive. In this way, the separator has a current collecting ability (function) over the entire surface.
流体供給拡散層ブロックは一実施態様では，導電材と高分子樹脂の混合物を含む構成である。流体の種類（反応ガスの種類，冷却水）に応じて流体抵抗（一例としては気孔率）が異なる。耐食層，ならびに好ましくは上記緻密枠および仕切壁も導電材と高分子樹脂の混合物を含む構成であるが，流体の通過または透過を遮断するものである。 In one embodiment, the fluid supply diffusion layer block includes a mixture of a conductive material and a polymer resin. The fluid resistance (for example, porosity) varies depending on the type of fluid (type of reaction gas, cooling water). The corrosion-resistant layer, and preferably the dense frame and partition wall, are also composed of a mixture of a conductive material and a polymer resin, but block the passage or permeation of fluid.
この発明によると，さまざまなタイプのセパレータを提供することができる。 According to the present invention, various types of separators can be provided.
一のタイプのセパレータでは，２種類の反応ガスの一方のための流体供給拡散層ブロック等が前記金属板の一方の面に，前記反応ガスの他方のための流体供給拡散層ブロック等が前記金属板の他方の面に，それぞれ形成されている。 In one type of separator, a fluid supply diffusion layer block or the like for one of the two types of reaction gas is provided on one surface of the metal plate, and a fluid supply diffusion layer block or the like for the other of the reaction gas is provided on the metal. Each is formed on the other side of the plate.
他のタイプのセパレータでは，前記金属板の一面にのみ，反応ガスのための流体供給拡散層ブロック等が形成されている。さらに他のタイプのセパレータでは，前記金属板の一面または両面に冷却水のための流体供給拡散層ブロック等が形成されている。 In another type of separator, a fluid supply diffusion layer block or the like for the reaction gas is formed only on one surface of the metal plate. In still another type of separator, a fluid supply diffusion layer block for cooling water or the like is formed on one or both surfaces of the metal plate.
さらに他のタイプのセパレータでは，前記金属板の一面に反応ガスのための流体供給拡散層ブロック等が，他面に冷却水のための流体供給拡散層ブロック等がそれぞれ形成されている。冷却水のための液体供給拡散層は，十分な電気導電性を確保できる限り，必ずしも多孔質層で形成しなくてもよく，たとえばリブ構造体で形成することもできる。 In still another type of separator, a fluid supply diffusion layer block for a reactive gas or the like is formed on one surface of the metal plate, and a fluid supply diffusion layer block or the like for cooling water is formed on the other surface. The liquid supply diffusion layer for cooling water may not necessarily be formed of a porous layer as long as sufficient electrical conductivity can be ensured, and may be formed of, for example, a rib structure.
一実施態様では，上述したセパレータにおいて，セパレータの流体供給拡散層ブロック表面に，さらに他の多孔質膜（層）（好ましくは，マルチポーラスレイヤ：ＭＰＬ）が接合される。この多孔質層は，好ましくは流体供給拡散層に比べより微細な気孔（細孔）を有し，その上面に配置される触媒層コート電解質膜（ＣＣＭ）の触媒層に反応ガスを均一に供給し，また触媒層で生成する水蒸気または液水を均一かつ速やかにガス拡散供給側に除去する機能を有する。この多孔質膜（ＭＰＬ）をＣＣＭの表面に設ける場合には，流体供給拡散層ブロック表面に多孔質層を必ずしも設けなくてもよい。 In one embodiment, in the separator described above, another porous film (layer) (preferably, a multiporous layer: MPL) is bonded to the surface of the fluid supply diffusion layer block of the separator. This porous layer preferably has finer pores (pores) than the fluid supply diffusion layer, and uniformly supplies the reaction gas to the catalyst layer of the catalyst layer coated electrolyte membrane (CCM) disposed on the upper surface thereof. In addition, it has a function of uniformly and quickly removing water vapor or liquid water generated in the catalyst layer to the gas diffusion supply side. When this porous membrane (MPL) is provided on the surface of the CCM, the porous layer is not necessarily provided on the surface of the fluid supply diffusion layer block.
上述したすべての態様のセパレータは，次に述べるように，燃料電池のためのセル・スタックを構成するために用いることができる。 All aspects of the separator described above can be used to construct a cell stack for a fuel cell, as described below.
この発明による燃料電池のためのセル・スタックは，カソード・ガスおよびアノード・ガス用の少なくとも２種類のセパレータを含み，各セパレータは，金属板の少なくとも一面に，それぞれ多孔質層により形成された複数の流体供給拡散層ブロックが設けられ，各流体供給拡散層ブロックは，流体が該ブロックに入る流入部分と，流体が該ブロックから出る流出部分とを有し，各流体供給拡散層ブロックの流入部分は，供給通路によってそれぞれ流体供給口に連通し，各流体供給拡散層ブロックの流出部分は，排出通路によってそれぞれ流体排出口に連通しているものであり，前記少なくとも２種類のセパレータはそれらの前記流体供給拡散層ブロックの間に，膜触媒層接合体（少なくとも電解質膜およびその両面の触媒層を含む）を挟んで対向するように積層されているものである。 A cell stack for a fuel cell according to the present invention includes at least two kinds of separators for cathode gas and anode gas, and each separator is formed by a porous layer on at least one surface of a metal plate. Each fluid supply diffusion layer block has an inflow portion where the fluid enters the block and an outflow portion where the fluid exits the block, and the inflow portion of each fluid supply diffusion layer block Are respectively connected to the fluid supply ports by the supply passages, and the outflow portions of the respective fluid supply diffusion layer blocks are respectively connected to the fluid discharge ports by the discharge passages. Membrane / catalyst layer assembly (including at least electrolyte membrane and catalyst layers on both sides) is sandwiched between fluid supply diffusion layer blocks In which are stacked so as to face.
上記の２種類のセパレータによって挟まれる膜触媒層接合体は電解質膜およびその両面に触媒層を有するものでよく（セパレータに上述した多孔質膜（好ましくはＭＰＬ）が設けられている場合），または触媒層の外側に多孔質層（好ましくはＭＰＬ）を持つものでよい（膜電極接合体）。セパレータ自体が流体供給拡散層ブロックを有しているので，従来の高価なガス拡散層は必ずしも必要はない。これにより，より安価な燃料電池が提供できうるし，セル・スタック全体の厚さも薄くすることが可能となる。 The membrane / catalyst layer assembly sandwiched between the two types of separators may have an electrolyte membrane and catalyst layers on both sides thereof (when the above-described porous membrane (preferably MPL) is provided on the separator), or It may have a porous layer (preferably MPL) outside the catalyst layer (membrane electrode assembly). Since the separator itself has a fluid supply diffusion layer block, the conventional expensive gas diffusion layer is not necessarily required. As a result, a cheaper fuel cell can be provided, and the thickness of the entire cell stack can be reduced.
そして，各セパレータにおいて，複数の流体供給拡散層ブロックが，セパレータの流体供給口と流体排出口との間において，流体の流れに関して並列に接続されているので，複数の流体供給拡散層ブロックにおける流体供給側，排出側の圧力をそれぞれ均等化することができるとともに，流体供給側から排出側までの流体抵抗を大幅に低下させることができ，これによってセパレータ内における流体の供給不足，排出不足に基づく発電時の過電圧損失が大幅に低減する。流体供給動力の大幅な低減が可能となる。流体供給拡散層ブロックは多孔質層により形成されているから，流体は多孔質層の全面に拡散し，流体をほぼ均一に分布させることが可能である。ガスの場合にはカソード側，アノード側に効率的に供給できるし，冷却水の場合には両方向にほぼ均一に冷却できる。アノード・ガス，カソード・ガスを触媒層の全面にほぼくまなく，かつ均等に供給できるので，電池の高出力化を達成できる。流体供給拡散層表面により緻密な細孔を有する多孔質層（ＭＰＬ）を付加することで，流体の均一分布性は更に改善される。他方，このＭＰＬ付加を行わず，同じ機能を有するＭＰＬをＣＣＭ表面に直接塗布することで代えることもできる。 In each separator, the plurality of fluid supply diffusion layer blocks are connected in parallel with respect to the fluid flow between the fluid supply port and the fluid discharge port of the separator. The pressure on the supply side and the discharge side can be equalized, and the fluid resistance from the fluid supply side to the discharge side can be greatly reduced. This is based on insufficient supply and discharge of fluid in the separator. Overvoltage loss during power generation is greatly reduced. The fluid supply power can be greatly reduced. Since the fluid supply diffusion layer block is formed of a porous layer, the fluid diffuses over the entire surface of the porous layer, and the fluid can be distributed almost uniformly. In the case of gas, it can be efficiently supplied to the cathode side and the anode side, and in the case of cooling water, it can be cooled almost uniformly in both directions. Since the anode gas and cathode gas can be supplied almost uniformly over the entire surface of the catalyst layer, high output of the battery can be achieved. By adding a porous layer (MPL) having fine pores on the surface of the fluid supply diffusion layer, the uniform distribution of the fluid is further improved. On the other hand, MPL having the same function can be applied directly on the CCM surface without performing this MPL addition.
さらに他の実施態様では，金属板の少なくとも一面に耐食層が形成され，この耐食層上に多孔質材により冷却水の流路が形成されている冷却水用セパレータがさらに積層される。 In yet another embodiment, a corrosion-resistant layer is formed on at least one surface of the metal plate, and a cooling water separator having a cooling water flow path formed of a porous material is further laminated on the corrosion-resistant layer.
この発明はさらに新しいセル構造体を提供している。このセル構造体は，膜触媒層接合体と，その両面に一体的に設けられたカソード流体およびアノード流体用の流体供給拡散層とを含む。各流体供給拡散層は，それぞれ多孔質層により形成された複数の流体供給拡散層ブロックを備え，各流体供給拡散層ブロックは，流体が該ブロックに入る流入部分と，流体が該ブロックから出る流出部分とを有し，各流体供給拡散層ブロックの流入部分は，供給通路によって互いに連通し，各流体供給拡散層ブロックの流出部分は，排出通路によって互いに連通しているものである。 The present invention further provides a new cell structure. This cell structure includes a membrane catalyst layer assembly and fluid supply diffusion layers for cathode fluid and anode fluid integrally provided on both surfaces thereof. Each fluid supply diffusion layer comprises a plurality of fluid supply diffusion layer blocks each formed by a porous layer, each fluid supply diffusion layer block comprising an inflow portion where fluid enters the block and an outflow portion where fluid exits the block. The inflow portion of each fluid supply diffusion layer block communicates with each other by a supply passage, and the outflow portion of each fluid supply diffusion layer block communicates with each other by a discharge passage.
このようなセル構造体の両側を金属板（単なる金属平板でよい）（セパレータ）で挟んで積上げることにより，そして必要に応じて冷却水層（冷却水供給拡散用セパレータ）を挿入して，セル・スタックを構成することができる。 By sandwiching and stacking both sides of such a cell structure with a metal plate (simply a flat metal plate) (separator), and inserting a cooling water layer (cooling water supply diffusion separator) as necessary, A cell stack can be configured.
前記膜触媒層接合体は，電解質膜およびその両面の触媒層を含むもの（触媒層コート電解質膜，ＣＣＬ），またはさらに前記触媒層の外側に設けられた多孔質層（好ましくはＭＰＬ）を含むもの（膜電極接合体）であることが好ましい。 The membrane-catalyst layer assembly includes an electrolyte membrane and a catalyst layer on both sides thereof (catalyst layer coated electrolyte membrane, CCL), or further includes a porous layer (preferably MPL) provided outside the catalyst layer. It is preferable that it is a thing (membrane electrode assembly).
以下，図面を参照してこの発明の実施例について詳細に説明する。燃料電池スタックを構成する各種セパレータや膜電極接合体（Ｎ−ＭＥＡ），絶縁シート，集電板などはその厚さが百μｍ（または数百μｍ）オーダーから数mm（または十mm程度の）オーダーのものであり，これらの厚さを厳密に描くことは不可能であるので，各図において厚さをやや誇張して描いてある。また，金属平板（金属板）30に断面であることを示すハッチングを施す一方，流体供給拡散層ブロックなどについてはハッチングを省略したり，薄膜，シート等は単に太い実線で描いてあるなど，図が煩雑になるのを避け，見易さ，分り易さを優先して表現している箇所もあることを，了解されたい。さらに，図12においては，各種セパレータ21，22，23，24，膜電極接合体（Ｎ−ＭＥＡ）81，集電板27Ａ，27Ｂ，絶縁シート28Ａ，28Ｂおよびエンド・プレート75，76が，分りやすくするために，離間して描かれているが，これらは，図示された配列の順に，相互に密に接合されているものである。この発明では，基本的に，各セパレータの流体供給拡散層は複数のブロックに分割されているが，各セパレータの流体供給拡散層ブロックをまとめて言うときには，ブロックの文字を省略し，単に流体供給拡散層ということがある。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. Various separators, membrane electrode assemblies (N-MEA), insulating sheets, current collectors, etc. that make up the fuel cell stack have a thickness from the order of 100 μm (or several hundred μm) to several mm (or about 10 mm). Since these thicknesses are of the order and it is impossible to draw these thicknesses strictly, the thicknesses are slightly exaggerated in each figure. In addition, the metal flat plate (metal plate) 30 is hatched to indicate that it is a cross section, while the fluid supply diffusion layer block is omitted from hatching, and the thin film, sheet, etc. are simply drawn with thick solid lines. It should be understood that there are places where the expression is given priority on ease of understanding and ease of understanding. Further, in FIG. 12, various separators 21, 22, 23, 24, a membrane electrode assembly (N-MEA) 81, current collecting plates 27A, 27B, insulating sheets 28A, 28B, and end plates 75, 76 are shown. For ease of illustration, they are depicted spaced apart, but they are closely joined together in the order of the illustrated arrangement. In the present invention, the fluid supply diffusion layer of each separator is basically divided into a plurality of blocks. However, when referring to the fluid supply diffusion layer blocks of each separator collectively, the block letter is omitted, and the fluid supply diffusion layer is simply supplied. Sometimes referred to as a diffusion layer.
燃料電池スタック
図12はこの発明における実施例の燃料電池セル・スタックを概念的に示すものである。燃料電池の単セルは，概念的には，電解質膜（高分子膜）（触媒層を含めてもよい）とこれを挟むカソード側構成要素およびアノード側構成要素とから構成される。図12に示すセル・スタックでは，２つの単セル置きに冷却水の供給拡散層（Ｗで示す）が設けられている。
Fuel Cell Stack FIG. 12 conceptually shows a fuel cell stack according to an embodiment of the present invention. A single cell of a fuel cell is conceptually composed of an electrolyte membrane (polymer membrane) (which may include a catalyst layer), a cathode side component and an anode side component sandwiching the membrane. In the cell stack shown in FIG. 12, a cooling water supply diffusion layer (indicated by W) is provided for every two single cells.
燃料電池スタック20は，積層された各種タイプのセパレータ21，22，23または24，およびそれらのカソード・ガス（空気，酸素）供給拡散層（Ｃで示す）とアノード・ガス（燃料，水素）供給拡散層（Ａで示す）との間に挟まれた膜電極接合体（Ｎ−ＭＥＡ）81から構成されている。 The fuel cell stack 20 includes various types of stacked separators 21, 22, 23, or 24, and cathode gas (air, oxygen) supply diffusion layers (shown by C) and anode gas (fuel, hydrogen) supply. The membrane electrode assembly (N-MEA) 81 is sandwiched between a diffusion layer (indicated by A).
各種タイプのセパレータには次のものがある。 Various types of separators include:
金属平板30の一面にカソード・ガス供給拡散層Ｃが形成され，他の面にアノード・ガス供給拡散層Ａが形成されたもの。以下，これをタイプＣＡのセパレータ21という。 The cathode / gas supply diffusion layer C is formed on one surface of the metal flat plate 30 and the anode / gas supply diffusion layer A is formed on the other surface. Hereinafter, this is referred to as a type CA separator 21.
金属平板30の一面にのみアノード・ガス供給拡散層Ａが形成されたもの。以下，これをタイプＡのセパレータ22という。 The anode / gas supply diffusion layer A is formed only on one surface of the metal flat plate 30. Hereinafter, this is referred to as a type A separator 22.
金属平板30の一面にのみカソード・ガス供給拡散層Ｃが形成されたもの。以下，これをタイプＣのセパレータ23という。 The cathode / gas supply diffusion layer C is formed only on one surface of the metal flat plate 30. Hereinafter, this is referred to as a type C separator 23.
金属平板30の一面にアノード・ガス供給拡散層Ａが形成され，他の面に冷却水の供給拡散層Ｗが形成されたもの。以下，これをタイプＡＷのセパレータ24という。 An anode / gas supply diffusion layer A is formed on one surface of the metal flat plate 30, and a cooling water supply diffusion layer W is formed on the other surface. Hereinafter, this is referred to as a type AW separator 24.
図11には図示されていないが，金属平板30の一面にカソード・ガス供給拡散層Ｃが形成され，他の面に冷却水の供給拡散層Ｗが形成されたもの。以下，これをタイプＣＷのセパレータという。 Although not shown in FIG. 11, the cathode / gas supply diffusion layer C is formed on one surface of the metal flat plate 30, and the cooling water supply diffusion layer W is formed on the other surface. Hereinafter, this is referred to as a type CW separator.
さらに，金属平板の一面に冷却水の供給拡散層Ｗが形成されたセパレータもある。以下，これをタイプＷのセパレータという。金属平板の両面に冷却水の供給拡散層Ｗを形成してもよい。 There is also a separator in which a cooling water supply diffusion layer W is formed on one surface of a metal flat plate. Hereinafter, this is referred to as a type W separator. The cooling water supply diffusion layer W may be formed on both surfaces of the metal flat plate.
これらの各種セパレータの構成の詳細については後述する。 Details of the configuration of these various separators will be described later.
この実施例の膜電極接合体（Ｎ−ＭＥＡ）81は，マイクロポーラスレイヤ（ＭＰＬ）付きのもので，図４に示すように，中心の電解質膜（ＰＥＭ）82，その両側に密着する触媒層（ＣＬ）85，そしてその両側に配置されるＭＰＬ83から構成される。これは新しいタイプの膜電極接合体である。セパレータに多孔質層（ＭＰＬ）が設けられる場合には，膜電極接合体（Ｎ−ＭＥＡ）81から多孔質層83を省略することができる。この明細書では，電解質膜82とその両側に設けられる触媒層85から構成されるものを触媒コート電解質膜（Catalyst Coated Membrane：ＣＣＭ）（または３層膜電極接合体）と呼び，さらにその両側にマイクロポーラスレイヤー（ＭＰＬ）を加えたものを新しいタイプの膜電極接合体（５層膜電極接合体）（Membrane Electrode Assembly ：ＭＥＡ）と呼び，これらのＣＣＭとＭＥＡの両方を含む総称として膜触媒層接合体という用語を用いる。ＭＰＬは，後述するいずれのタイプのセパレータの流体供給拡散層を構成する多孔質膜（ブロック）よりも微細な径の気孔（細孔）を有するものである。 The membrane electrode assembly (N-MEA) 81 of this embodiment has a microporous layer (MPL), and as shown in FIG. 4, a central electrolyte membrane (PEM) 82 and a catalyst layer adhered to both sides thereof. (CL) 85 and MPL 83 arranged on both sides thereof. This is a new type of membrane electrode assembly. When the separator is provided with a porous layer (MPL), the porous layer 83 can be omitted from the membrane electrode assembly (N-MEA) 81. In this specification, an electrolyte membrane 82 and a catalyst layer 85 provided on both sides of the electrolyte membrane 82 are referred to as a catalyst coated electrolyte membrane (Catalyst Coated Membrane: CCM) (or a three-layer membrane electrode assembly). A microporous layer (MPL) added is called a new type of membrane electrode assembly (Membrane Electrode Assembly: MEA), and the membrane catalyst layer is a generic term that includes both CCM and MEA. The term joined body is used. The MPL has pores (pores) having a diameter smaller than that of the porous membrane (block) constituting the fluid supply diffusion layer of any type of separator described later.
燃料電池セル・スタック20において，上述した各種セパレータ21〜24は，それらのカソード・ガス供給拡散層Ｃとアノード・ガス供給拡散層Ａとが膜電極接合体（Ｎ−ＭＥＡ）81を挟んで対向して単セルを構成し，これらの単セルがカソード側とアノード側が交互になるように配置され，単セル２つ置き（１つ置き，または３つ置き等でもよい）に冷却水供給拡散層Ｗが設けられ，そして冷却水供給拡散層Ｗには金属平板30（好ましくはタイプＡまたはＣの金属平板30）が対向するように，各種セパレータ21〜24が組合されてスタックされ，それらの両端に集電板27Ａ，27Ｂが配置され，さらにそれらの外側に絶縁シート28Ａ，28Ｂを介在させてエンド・プレート75，76で両側から押圧されている。スタックの両端に位置し，集電板27Ａ，27Ｂに接するセパレータについては，その金属平板30（耐食層）が外方を向くようにすることが好ましい In the fuel cell stack 20, the above-described various separators 21 to 24 face each other with their cathode / gas supply diffusion layer C and anode / gas supply diffusion layer A sandwiching a membrane electrode assembly (N-MEA) 81. Thus, single cells are arranged, and these single cells are arranged so that the cathode side and the anode side are alternately arranged, and the cooling water supply diffusion layer is arranged every two single cells (may be every other, every third, etc.). W is provided, and various separators 21 to 24 are stacked in combination and stacked so that a metal flat plate 30 (preferably a type A or C metal flat plate 30) is opposed to the cooling water supply diffusion layer W. The current collector plates 27A and 27B are disposed on the outside, and further, the insulating plates 28A and 28B are interposed on the outer sides thereof, and are pressed from both sides by the end plates 75 and 76, respectively. For the separators located at both ends of the stack and in contact with the current collector plates 27A and 27B, it is preferable that the metal flat plate 30 (corrosion resistant layer) face outward.
アノード側エンド・プレート75の一端部にはアノード・ガス導入口71Ａ，カソード・ガス導出口72Ｂおよび冷却水導出口73Ｂがそれぞれあけられている。他方，カソード側エンド・プレート76の一端部（アノード側エンド・プレートの上記一端部とは反対側）には，アノード・ガス導出口71Ｂ，カソード・ガス導入口72Ａおよび冷却水導入口73Ａ（図11ではこれらがまとめて破線で示されている）があけられている。これらの導入口，導出（排出）口にはそれぞれ対応する流体の供給管（チューブ），排出管（チューブ）が接続される。 At one end of the anode side end plate 75, an anode / gas inlet 71A, a cathode / gas outlet 72B and a cooling water outlet 73B are opened. On the other hand, at one end of the cathode side end plate 76 (on the side opposite to the one end of the anode side end plate), an anode gas outlet 71B, a cathode gas inlet 72A, and a cooling water inlet 73A (see FIG. In 11, these are collectively indicated by a broken line). Corresponding fluid supply pipes (tubes) and discharge pipes (tubes) are connected to these inlets and outlets (discharges), respectively.
タイプＡのセパレータ
タイプＡのセパレータ22は図１，図２および図３に示されている。このセパレータ22は，基板としての方形の金属平板（金属シート）（金属板）30の一方の面にアノード側の流体（ガス）（燃料，具体的には主に水素Ｈ2 を含むガス）供給拡散層（水素供給拡散層）41が形成されているものである。
Type A Separator Type A separator 22 is shown in FIGS. This separator 22 supplies an anode side fluid (gas) (fuel, specifically, a gas mainly containing hydrogen H 2 ) to one surface of a rectangular metal flat plate (metal sheet) (metal plate) 30 as a substrate. A diffusion layer (hydrogen supply diffusion layer) 41 is formed.
より詳細に述べると，金属平板30の縦方向の一端部（図１の上部）には，横方向に並べて（図１において右，左，中央の順に），アノード・ガス供給（導入）孔61Ａ（アノード・ガス供給口61Ｉとなっている），カソード・ガス（および生成水）排出孔62Ｂ，冷却水排出孔63Ｂがあけられ，他端部（図１の下部）には同じように，アノード・ガス排出孔61Ｂ（アノード・ガス排出口61Ｏとなっている），カソード・ガス供給（導入）孔62Ａおよび冷却水供給（導入）孔63Ａがあけられている。そして金属平板30の上記の各供給孔，排出口があけられた部分を除く，中央部のほぼ全体が流体供給拡散層41が形成される領域となっている。これらの各供給孔，排出孔および流体供給拡散層形成領域のそれぞれの周囲は緻密枠32によって囲まれている。緻密枠32はこれらの流体の漏洩を防ぐ。緻密枠32の外面には各供給孔，排出孔，流体供給拡散層形成領域を囲むように，枠32に沿って溝が形成され，ここにガスケット（パッキン，Ｏリングなどのシール材）33が設けられる。金属平板30の両面には，上記の供給孔，排出孔があけられている部分を除いて，その全面に耐食層（耐食コート）31が形成されている。好ましくは各供給（導入）孔や排出孔の内周面にも耐食層を形成する。必要であれば金属平板30の側面，端面にも耐食層を形成する。この耐食層31は緻密枠32と同じ緻密層であり，金属平板30の腐食を防ぐ。ガスケット33は接合される他のセパレータまたは膜電極接合体81もしくは集電板27Ａ，27Ｂと密着して流体の漏洩を防ぐものである。 More specifically, the anode gas supply (introduction) hole 61A is arranged at one end in the vertical direction (upper part of FIG. 1) of the metal flat plate 30 in the horizontal direction (in order of right, left, and center in FIG. 1). (Anode / gas supply port 61I), cathode / gas (and generated water) discharge hole 62B, cooling water discharge hole 63B are opened, and the other end (lower part of FIG. 1) is similarly anode A gas exhaust hole 61B (anode / gas exhaust port 61O), a cathode gas supply (introduction) hole 62A and a cooling water supply (introduction) hole 63A are formed. Except for the portions where the above-described supply holes and discharge ports of the metal flat plate 30 are opened, almost the entire central portion is a region where the fluid supply diffusion layer 41 is formed. Each of these supply holes, discharge holes, and fluid supply diffusion layer forming region is surrounded by a dense frame 32. The dense frame 32 prevents leakage of these fluids. A groove is formed on the outer surface of the dense frame 32 along the frame 32 so as to surround each supply hole, discharge hole, and fluid supply diffusion layer forming region, and a gasket (a seal material such as a packing and an O-ring) 33 is provided here. Provided. Corrosion-resistant layers (corrosion-resistant coatings) 31 are formed on both surfaces of the metal flat plate 30 except for the portions where the supply holes and discharge holes are formed. Preferably, a corrosion-resistant layer is also formed on the inner peripheral surface of each supply (introduction) hole or discharge hole. If necessary, a corrosion-resistant layer is also formed on the side surface and end surface of the metal flat plate 30. The corrosion resistant layer 31 is the same dense layer as the dense frame 32 and prevents corrosion of the metal flat plate 30. The gasket 33 is in close contact with another separator to be joined or the membrane electrode assembly 81 or the current collector plates 27A and 27B to prevent fluid leakage.
流体（水素）供給拡散層41について説明する。流体供給拡散層41は，流体供給口61Ｉから流体排出口61Ｏに向う方向に（縦方向に），複数の（この実施例では４つの）流体供給拡散層ブロック41Ａ（鎖線で示す）に分割され，各ブロック41Ａの間には若干の間隙がある。各ブロック41Ａは緻密枠32のほぼ全幅にわたって（横方向に）（供給通路51，排出通路52等の部分を除いて）設けられている。説明の便宜上，流体供給口61Ｉから流体排出口61Ｏに向って，４つの流体供給拡散層ブロック41Ａを，第１段，第２段，第３段，第４段の流体供給拡散層ブロック41Ａという。 The fluid (hydrogen) supply diffusion layer 41 will be described. The fluid supply diffusion layer 41 is divided into a plurality of (four in this embodiment) fluid supply diffusion layer blocks 41A (indicated by chain lines) in a direction (vertically) from the fluid supply port 61I to the fluid discharge port 61O. , There is a slight gap between each block 41A. Each block 41A is provided over almost the entire width of the dense frame 32 (in the lateral direction) (excluding portions such as the supply passage 51 and the discharge passage 52). For convenience of explanation, the four fluid supply diffusion layer blocks 41A from the fluid supply port 61I toward the fluid discharge port 61O are referred to as first, second, third, and fourth-stage fluid supply diffusion layer blocks 41A. .
第１段から第３段の流体供給拡散層ブロック41Ａの側方（図１において右側）で，緻密枠32の内側に供給通路51が形成されている。第２段から第４段の流体供給拡散層ブロック41Ａの反対側の側方（図１において左側）で，緻密枠32の内側に排出通路52が形成されている。各流体供給拡散層ブロック41Ａの流体供給口61Ｉ側（図１において上方）には，供給通路51から分岐した分岐供給通路（供給通路）51Ａが形成されている。分岐供給通路51Ａは，当然，供給通路51と連通しており，供給通路の一部を構成する。各流体供給拡散層ブロック41Ａの流体排出口61Ｏ側（図１において下方）には，流体排出のための支流排出通路52Ａが形成され，排出通路52に連通し，排出通路の一部を構成する。これらの通路51，51Ａ，52，52Ａは流体の流れを阻害する物質が存在しない空間である。 A supply passage 51 is formed inside the dense frame 32 on the side (right side in FIG. 1) of the fluid supply diffusion layer block 41A of the first to third stages. A discharge passage 52 is formed inside the dense frame 32 on the side opposite to the fluid supply diffusion layer block 41A of the second to fourth stages (left side in FIG. 1). A branch supply passage (supply passage) 51A branched from the supply passage 51 is formed on the fluid supply port 61I side (upward in FIG. 1) of each fluid supply diffusion layer block 41A. The branch supply passage 51A naturally communicates with the supply passage 51 and constitutes a part of the supply passage. A branch discharge passage 52A for discharging fluid is formed on the fluid discharge port 61O side (downward in FIG. 1) of each fluid supply diffusion layer block 41A, and communicates with the discharge passage 52 to constitute a part of the discharge passage. . These passages 51, 51A, 52, 52A are spaces where there is no substance that obstructs the flow of fluid.
第１段の流体供給拡散層ブロック41Ａと第２段の流体供給拡散層ブロック41Ａとの間の間隙において，第１段のブロックの支流排出通路52Ａと第２段のブロックの分岐供給通路51Ａとを分離（遮断）するために，仕切壁（分離壁，隔離壁）53が形成されている（仕切壁53を太い線で示す）。第２段と第３段の流体供給拡散層ブロック41Ａ間，第３段と第４段の流体供給拡散層ブロック41Ａ間においても，同じように仕切壁53が設けられている。さらに，第１段，第２段および第３段の流体供給拡散層ブロック41Ａの供給通路51側を塞ぐために仕切壁53が形成され，第２段，第３段，第４段の流体供給拡散層ブロック41Ａの排出通路52側を塞ぐために仕切壁53が設けられている。これらの仕切壁53は緻密枠32と同じ緻密層であり，流体の流れ（流入，流出，漏洩）を阻止する。 In the gap between the first-stage fluid supply diffusion layer block 41A and the second-stage fluid supply diffusion layer block 41A, the branch discharge passage 52A of the first-stage block and the branch supply passage 51A of the second-stage block A partition wall (separation wall, isolation wall) 53 is formed (separated wall 53 is indicated by a thick line). A partition wall 53 is similarly provided between the second-stage and third-stage fluid supply diffusion layer blocks 41A and between the third-stage and fourth-stage fluid supply diffusion layer blocks 41A. Further, a partition wall 53 is formed to block the supply passage 51 side of the fluid supply diffusion layer block 41A of the first, second, and third stages, and the fluid supply diffusion of the second, third, and fourth stages. A partition wall 53 is provided to close the discharge passage 52 side of the layer block 41A. These partition walls 53 are the same dense layer as the dense frame 32 and prevent fluid flow (inflow, outflow, leakage).
各流体供給拡散層ブロック41Ａの分岐供給通路51Ａにのぞむ（面する）部分（供給溝55にのぞむ部分を含む）が流体の流入部分であり，支流排出通路52Ａにのぞむ（面する）部分（排出溝56にのぞむ部分を含む）が流体の流出部分である。各流体供給拡散層ブロック41Ａにおいて，流体の流入部分から流出部分に向って途中まで細い複数本の流体（ガス）供給溝55が形成され，各流体供給拡散層ブロック41Ａ内から流出部分に向って細い複数本の流体（ガス）排出溝56が形成されている。供給溝55は分岐供給通路51Ａに連通し，排出溝56は支流排出通路52Ａに連通している。これらの供給溝55，排出溝56は，図３に示すように，流体供給拡散層ブロック41Ａの内部に形成されていればよい（トンネル）。図３に示すものとは逆に，流体供給拡散層ブロック41Ａの深さの途中まで形成してもよい。もちろん，これらの溝の深さを流体供給拡散層ブロック41Ａの厚さと同じにしてもよい。 The portion of each fluid supply diffusion layer block 41A that faces (faces) the branch supply passage 51A (including the portion that looks into the supply groove 55) is the fluid inflow portion, and the portion that faces (faces) the branch discharge passage 52A (discharge) (Including a portion looking into the groove 56) is a fluid outflow portion. In each fluid supply diffusion layer block 41A, a plurality of thin fluid (gas) supply grooves 55 are formed halfway from the fluid inflow portion toward the outflow portion, and from each fluid supply diffusion layer block 41A toward the outflow portion. A plurality of thin fluid (gas) discharge grooves 56 are formed. The supply groove 55 communicates with the branch supply passage 51A, and the discharge groove 56 communicates with the tributary discharge passage 52A. These supply groove 55 and discharge groove 56 may be formed inside the fluid supply diffusion layer block 41A (tunnel) as shown in FIG. Contrary to what is shown in FIG. 3, it may be formed up to the middle of the depth of the fluid supply diffusion layer block 41A. Of course, the depth of these grooves may be the same as the thickness of the fluid supply diffusion layer block 41A.
アノード・ガス供給口61Ｉと流体供給拡散層41が形成されている領域との間には流入層57（供給通路の一部を示す）が，アノード・ガス排出口61Ｏと流体供給拡散層41の形成領域との間には流出層58（排出通路の一部を示す）が形成されている。これらの流入層57，流出層58は膜電極接合体81またはそのフレーム81Ａを支持するためのものである。したがって，流体を円滑に流し，かつ膜電極接合体81をサポートできる構造であればよい。たとえば，気孔率のきわめて大きい多孔質層でもよいし，多数の支柱を配列した構造でもよい。供給通路51，排出通路52，分岐供給通路51Ａ，支流排出通路52Ａと緻密枠32との間に図示されている流体供給拡散層の一部の細長い部分も膜電極接合体81またはそのフレーム81Ａを支持するためのもので，この部分を無くして，供給通路51，排出通路52，分岐供給通路51Ａ，支流排出通路52Ａを直接に緻密枠32に沿わせてもよい。 Between the anode / gas supply port 61I and the region where the fluid supply diffusion layer 41 is formed, an inflow layer 57 (showing a part of the supply passage) is formed between the anode / gas discharge port 61O and the fluid supply diffusion layer 41. An outflow layer 58 (showing a part of the discharge passage) is formed between the formation region. These inflow layer 57 and outflow layer 58 are for supporting the membrane electrode assembly 81 or its frame 81A. Therefore, any structure may be used as long as fluid can flow smoothly and the membrane electrode assembly 81 can be supported. For example, a porous layer having an extremely high porosity or a structure in which a large number of support columns are arranged may be used. A part of the fluid supply diffusion layer shown between the supply passage 51, the discharge passage 52, the branch supply passage 51A, the tributary discharge passage 52A, and the dense frame 32 is also attached to the membrane electrode assembly 81 or its frame 81A. It is for supporting, and this portion may be eliminated, and the supply passage 51, the discharge passage 52, the branch supply passage 51A, and the tributary discharge passage 52A may be directly along the dense frame 32.
流体供給拡散層ブロック41Ａ，仕切壁53，流入層57，流出層58は，図２に示すように，緻密枠32と同じ高さ（厚さ）に形成されている。供給通路51，排出通路52，分岐供給通路51Ａ，支流排出通路52Ａは，好ましくは，トンネルの形（上方が開口せずに閉鎖されている）にするとよい。もちろん，トンネル以外の形状，たとえば流体供給拡散層ブロック41Ａの厚さと同じ深さをもつものでもよい。 The fluid supply diffusion layer block 41A, the partition wall 53, the inflow layer 57, and the outflow layer 58 are formed at the same height (thickness) as the dense frame 32, as shown in FIG. The supply passage 51, the discharge passage 52, the branch supply passage 51A, and the tributary discharge passage 52A are preferably in the form of a tunnel (the upper portion is closed without opening). Of course, shapes other than the tunnel, for example, the same depth as the thickness of the fluid supply diffusion layer block 41A may be used.
流体供給拡散層ブロック41Ａを含む流体供給拡散層の全体は導電性多孔質層であり，流体（水素ガス）はこの導電性多孔質層内を拡散する。流体供給孔61Ｉから導入された水素ガスは流入層57を通って，供給通路51および第１段の流体供給拡散層ブロック41Ａの流入部分にのぞむ分岐供給通路51Ａに流入する。供給通路51に流入した水素ガスは供給通路51につながる第２段から第４段の分岐供給通路51内に流入する。これらの各段の分岐供給通路51Ａ内に流入した水素ガスの一部は供給溝55内に入って供給溝55から流体供給拡散層ブロック41Ａ内に入り，他の一部は流体供給拡散層ブロック41Ａの端面から直接に流体供給拡散層ブロック41Ａ内に入って，層内を拡散していく。流体供給拡散層ブロック41Ａ内を拡散しながら水素ガスは，流体供給拡散層ブロック41Ａに接して設けられた膜電極接合体81に供給され，発電反応に寄与する。流体供給拡散層ブロック41Ａ内を拡散して残った水素ガスは近くの排出溝56に出て支流排出通路52Ａに出るか，または各ブロックの端面から直接に支流通路52Ａに出る。支流排出通路52Ａに流出した水素ガスは排出通路52に集まり，最終的に流出層58から流体排出口61Ｏを通って排出されていく。 The entire fluid supply diffusion layer including the fluid supply diffusion layer block 41A is a conductive porous layer, and the fluid (hydrogen gas) diffuses in the conductive porous layer. The hydrogen gas introduced from the fluid supply hole 61I passes through the inflow layer 57 and flows into the supply passage 51 and the branch supply passage 51A except for the inflow portion of the first-stage fluid supply diffusion layer block 41A. The hydrogen gas flowing into the supply passage 51 flows into the second to fourth branch supply passages 51 connected to the supply passage 51. Part of the hydrogen gas flowing into the branch supply passage 51A of each stage enters the supply groove 55 and enters the fluid supply diffusion layer block 41A from the supply groove 55, and the other part of the hydrogen supply diffusion layer block. The fluid supply diffusion layer block 41A enters directly from the end face of 41A and diffuses in the layer. While diffusing in the fluid supply diffusion layer block 41A, the hydrogen gas is supplied to the membrane electrode assembly 81 provided in contact with the fluid supply diffusion layer block 41A and contributes to the power generation reaction. The hydrogen gas remaining after diffusing in the fluid supply diffusion layer block 41A exits to the nearby discharge groove 56 and exits to the branch discharge passage 52A, or directly to the branch passage 52A from the end face of each block. The hydrogen gas flowing out to the tributary discharge passage 52A gathers in the discharge passage 52 and is finally discharged from the outflow layer 58 through the fluid discharge port 61O.
このように，セパレータ（タイプＡでも，タイプＣでも，タイプＷでも同じ）を構成する一枚の金属平板30上の流体供給拡散層41が複数のブロック41Ａに分割（区画化）され，これらの複数のブロック41Ａがセパレータの流体供給口61Ｉと流体排出口61Ｏとの間において，流体の流れに関して，供給通路51，分岐供給通路51Ａ，排出通路52および支流排出通路52Ａによって，並列に接続されている。これらの通路51，51Ａ，52，52Ａが流体圧（水素ガス圧）を複数の流体供給拡散層ブロック41Ａ間で均等化する（均等圧化通路）。 In this way, the fluid supply diffusion layer 41 on one metal flat plate 30 constituting the separator (the same for Type A, Type C, and Type W) is divided (partitioned) into a plurality of blocks 41A. A plurality of blocks 41A are connected in parallel by the supply passage 51, the branch supply passage 51A, the discharge passage 52, and the tributary discharge passage 52A with respect to the fluid flow between the fluid supply port 61I and the fluid discharge port 61O of the separator. Yes. These passages 51, 51A, 52, 52A equalize the fluid pressure (hydrogen gas pressure) among the plurality of fluid supply diffusion layer blocks 41A (equal pressure equalization passage).
こうして，複数の流体供給拡散層ブロック41Ａにおける流体供給側，排出側の圧力をそれぞれ均等化することができる。一つのセパレータにおける流体供給拡散層は複数のブロックに区画化され，これらのブロックが流体の流れに関して並列に接続されているから，流体供給側から排出側までの流体抵抗は，ブロック化されていない場合に比べて，ほぼブロックの数で除した値程度まで低下し，セパレータ内における流体損失が大幅に低減する。これにより流体供給動力の大幅な低減が可能となる。流体供給拡散層ブロックは多孔質層により形成されているから，流体は多孔質層の全面に拡散し，流体をほぼ均一に分布させることが可能である。 Thus, the pressure on the fluid supply side and the discharge side in the plurality of fluid supply diffusion layer blocks 41A can be equalized. Since the fluid supply diffusion layer in one separator is divided into a plurality of blocks, and these blocks are connected in parallel with respect to the fluid flow, the fluid resistance from the fluid supply side to the discharge side is not blocked. Compared to the case, the value drops to about the value divided by the number of blocks, and the fluid loss in the separator is greatly reduced. As a result, the fluid supply power can be greatly reduced. Since the fluid supply diffusion layer block is formed of a porous layer, the fluid diffuses over the entire surface of the porous layer, and the fluid can be distributed almost uniformly.
また，流体供給拡散層41（ブロック41Ａ）は，セパレータ22のほぼ全面に設けられている（各種流体の供給孔，排出孔の部分を除く）ので，セパレータ22の大部分の領域が発電反応に貢献することとなり，反応有効領域として最大限に利用できることとなる。また，セパレータ22のほぼ全面に流体供給拡散層41（ブロック41Ａ）（および仕切壁53，緻密枠32等）が形成され，凹溝，その他の空間がない（または殆どない）ので，セル・スタックのスタック方向（積層方向）に機械的強度が高いものとなっており，エンド・プレート75，76間の締付力を充分にサポートできる。 In addition, the fluid supply diffusion layer 41 (block 41A) is provided on almost the entire surface of the separator 22 (excluding the portions for supplying and discharging various fluids), so that most of the region of the separator 22 is used for power generation reaction. This will contribute to the maximum possible use as an effective reaction area. In addition, the fluid supply diffusion layer 41 (block 41A) (and the partition wall 53, the dense frame 32, etc.) is formed on almost the entire surface of the separator 22, and there is no (or almost no) groove or other space. The mechanical strength is high in the stacking direction (stacking direction), and the clamping force between the end plates 75 and 76 can be fully supported.
流体供給拡散層（ブロック）は，導電材（好ましくは炭素系導電材）と高分子樹脂の混合物を含む構成である。高分子樹脂に炭素系導電材を混合することにより，高分子樹脂に高い導電性を付与することができ，また高分子樹脂の耐食性を向上させることができる。炭素系導電材の含有率を調整することにより，流体供給拡散層の流体抵抗（後述する気孔率）を調整（制御）することができる。特に炭素繊維を多く混入すると流体抵抗が減少する（気孔率が大きくなる）。逆に，高分子樹脂の含有率を増加させることにより流体抵抗を高くする（気孔率を小さくする）ことができる。好ましくは，耐食層31，枠32および仕切壁53も炭素系導電材と高分子樹脂の混合物であり，高分子樹脂の含有率を高めて，導電性を確保しつつ緻密化したものである。 The fluid supply diffusion layer (block) includes a mixture of a conductive material (preferably a carbon-based conductive material) and a polymer resin. By mixing a carbon-based conductive material with the polymer resin, high conductivity can be imparted to the polymer resin, and the corrosion resistance of the polymer resin can be improved. By adjusting the content of the carbon-based conductive material, the fluid resistance (porosity described later) of the fluid supply diffusion layer can be adjusted (controlled). In particular, when a large amount of carbon fiber is mixed, the fluid resistance decreases (the porosity increases). Conversely, increasing the content of the polymer resin can increase the fluid resistance (decrease the porosity). Preferably, the corrosion-resistant layer 31, the frame 32, and the partition wall 53 are also a mixture of a carbon-based conductive material and a polymer resin, and are densified while increasing the content of the polymer resin and ensuring conductivity.
炭素系導電材としては，黒鉛，カーボンブラック，ダイヤモンド被覆カーボンブラック，炭化ケイ素，炭化チタン，カーボン繊維，カーボンナノチューブなどを用いることができる。 As the carbon-based conductive material, graphite, carbon black, diamond-coated carbon black, silicon carbide, titanium carbide, carbon fiber, carbon nanotube, or the like can be used.
高分子樹脂には熱硬化性樹脂，熱可塑性樹脂のいずれも用いることができる。高分子樹脂の例には，フェノール樹脂，エポキシ樹脂，メラミン樹脂，ゴム系樹脂，フラン樹脂，フッ化ビニリデン樹脂などがある。 As the polymer resin, either a thermosetting resin or a thermoplastic resin can be used. Examples of the polymer resin include phenol resin, epoxy resin, melamine resin, rubber-based resin, furan resin, and vinylidene fluoride resin.
金属平板30は，インコネル，ニッケル，金，銀，白金のうち一以上からなる金属，またはオーステナイト系ステンレス鋼板への金属のめっきもしくはクラッド材であることが好ましい。これらの金属を用いることにより，耐食性を向上できる。 The metal flat plate 30 is preferably a metal composed of one or more of Inconel, nickel, gold, silver and platinum, or a metal plating or clad material on an austenitic stainless steel plate. By using these metals, the corrosion resistance can be improved.
一つのセパレータに複数の流体供給口61Ｉ，流体排出口61Ｏがある場合には，流体供給拡散層ブロックをこれらの供給口，排出口ごとにグループ化してもよいし，これらの供給口，排出口をそれぞれ供給通路，排出通路で連通させてもよい。流体供給拡散層ブロックは４段に限らず，多段に設けることができる。 When there are a plurality of fluid supply ports 61I and fluid discharge ports 61O in one separator, the fluid supply diffusion layer block may be grouped by these supply ports and discharge ports, or these supply ports and discharge ports May be communicated with each other through a supply passage and a discharge passage. The fluid supply diffusion layer block is not limited to four stages, and can be provided in multiple stages.
タイプＣのセパレータ
Ｃタイプのセパレータ23が図５に示されている。カソード・ガス（酸素，空気）のためのセパレータ23にはカソード・ガス用の流体供給拡散層42（複数のブロック42Ａに分割されている）が金属平板30上に形成されている。流体供給拡散層ブロック42Ａ，供給通路51，分岐供給通路51Ａ，排出通路52，支流排出通路52Ａ等のパターンは図１に示すアノード・ガスのためのタイプＡのセパレータと基本的に同じである。同一機能を果たすものには図１，図２，図３に示すものと同じ符号を付し，重複説明を避ける。異なる点は，流体供給拡散層42の領域は酸素供給孔62Ａ（酸素供給口62Ｉ）および酸素排出孔62Ｂ（酸素排出口62Ｏ）とつながっていること，供給通路51は供給口62Ｉに連通し，排出通路52は排出口62Ｏに連通していること，流体供給拡散層ブロック42Ａの流体抵抗は流体供給拡散層ブロック41Ａの流体抵抗よりも小さいこと，そして酸素ガス供給拡散層ブロック42Ａの厚さは水素ガス流体供給拡散層ブロック41Ａの厚さよりも厚いこと（同程度でもよい）である。これらの違いは，通過するカソード・ガスの流量，粘性がアノード・ガスのそれに比べ大きいことに基づく。発電反応の結果，残った酸素と生成された水は酸素出口62Ｏに向って排出される。
Type C Separator A C type separator 23 is shown in FIG. In the separator 23 for cathode gas (oxygen, air), a cathode gas fluid supply diffusion layer 42 (divided into a plurality of blocks 42A) is formed on a metal plate 30. The pattern of the fluid supply diffusion layer block 42A, the supply passage 51, the branch supply passage 51A, the discharge passage 52, the tributary discharge passage 52A, etc. is basically the same as the type A separator for anode gas shown in FIG. Components having the same functions are denoted by the same reference numerals as those shown in FIGS. 1, 2, and 3 to avoid redundant description. The difference is that the region of the fluid supply diffusion layer 42 is connected to the oxygen supply hole 62A (oxygen supply port 62I) and the oxygen discharge hole 62B (oxygen discharge port 62O), and the supply passage 51 communicates with the supply port 62I. The discharge passage 52 communicates with the discharge port 62O, the fluid resistance of the fluid supply diffusion layer block 42A is smaller than the fluid resistance of the fluid supply diffusion layer block 41A, and the thickness of the oxygen gas supply diffusion layer block 42A is It is thicker than the thickness of the hydrogen gas fluid supply diffusion layer block 41A. These differences are based on the fact that the flow rate and viscosity of the passing cathode gas are larger than those of the anode gas. As a result of the power generation reaction, the remaining oxygen and generated water are discharged toward the oxygen outlet 62O.
他のタイプのセパレータ
冷却水のためのタイプＷのセパレータでは，冷却水を供給拡散させるために，流体供給拡散層ブロックの流体抵抗は，水素，酸素のための流体供給拡散層ブロックの流体抵抗よりもはるかに小さく設定される。流体供給拡散層ブロック，供給通路，排出通路等のパターン構成は上述したタイプＡ，タイプＣのセパレータと同じでよい。タイプＷのセパレータでは，供給通路は冷却水供給孔63Ａに連なる供給口に，排出通路は冷却水排出孔63Ｂに連なる排出口にそれぞれ連通する。
Other types of separator In the type W separator for cooling water, the fluid resistance of the fluid supply diffusion layer block is greater than the fluid resistance of the fluid supply diffusion layer block for hydrogen and oxygen in order to supply and diffuse the cooling water. Is also set much smaller. The pattern configuration of the fluid supply diffusion layer block, the supply passage, the discharge passage, etc. may be the same as the type A and type C separators described above. In the type W separator, the supply passage communicates with the supply port connected to the cooling water supply hole 63A, and the discharge passage communicates with the discharge port connected to the cooling water discharge hole 63B.
タイプＡＣのセパレータは，一枚の金属平板の一面にタイプＡのセパレータの金属平板を除いた構造が，他の面にタイプＣのセパレータの金属平板を除いた構造が形成される。タイプＡＷ，ＣＷのセパレータも同様に，一枚の金属平板の一面にタイプＡまたはＣのセパレータの金属平板を除いた構造が，他の面にタイプＷのセパレータの金属平板を除いた構造が形成される。 The type AC separator has a structure in which the metal flat plate of the type A separator is removed on one surface of one metal flat plate, and a structure in which the metal flat plate of the type C separator is removed on the other surface. Similarly, the type AW and CW separators have a structure in which the metal flat plate of the type A or C separator is removed on one surface of one metal flat plate, and the structure in which the metal flat plate of the type W separator is removed on the other side. Is done.
セパレータの製造等
一例として，耐食層，緻密枠，仕切壁，流体供給拡散層ブロック等は等方圧加圧により形成する。たとえば熱硬化性樹脂を用いる場合（熱可塑性樹脂でもよい），炭素系導電材粉末（および，必要ならば炭素繊維），樹脂粉末および揮発性溶剤を混錬してペースト状にする。このペーストには，耐食層，緻密枠および仕切壁用のもの，流体供給拡散層ブロック用のもの等，多数種類を用意しておく。そして，金属平板上に，耐食層緻密枠，および仕切壁のパターン，流体供給拡散層ブロックのパターン等を順次プリント，スタンプ，絞り出し等により形成する。各パターンの形成ごとに溶剤を揮発させる。上記のすべてのパターンが形成された金属平板の全体を軟質の薄いゴムバックに入れ，真空に脱気した後，ゴムバックを耐圧容器に入れ，加熱流体を容器内に導入して，加熱流体で等方圧加圧して樹脂を硬化させる。緻密枠，仕切壁，流体供給拡散層ブロックの高さ（厚さ）を最終的に同じ高さ（厚さ）にするために，樹脂硬化の際の収縮の程度に応じて，これらの各枠，壁，層等の高さ（厚さ）をパターン作製時に調整しておくことが好ましい。
As an example of manufacturing separators, corrosion resistant layers, dense frames, partition walls, fluid supply diffusion layer blocks, etc. are formed by isotropic pressure. For example, when a thermosetting resin is used (a thermoplastic resin may be used), a carbon-based conductive material powder (and carbon fiber if necessary), a resin powder and a volatile solvent are kneaded to form a paste. Many types of paste are prepared, such as those for corrosion resistant layers, dense frames and partition walls, and fluid supply diffusion layer blocks. On the metal flat plate, a corrosion-resistant layer dense frame, a partition wall pattern, a fluid supply diffusion layer block pattern, and the like are sequentially formed by printing, stamping, squeezing, and the like. The solvent is volatilized for each pattern formation. Place the entire metal plate with all the above patterns in a soft thin rubber bag, deaerate it in vacuum, place the rubber bag in a pressure vessel, introduce the heated fluid into the vessel, and use the heated fluid. Isotropic pressure is applied to cure the resin. In order to finally make the height (thickness) of the dense frame, partition wall, and fluid supply diffusion layer block the same (thickness), each of these frames is selected according to the degree of shrinkage during resin curing. It is preferable to adjust the height (thickness) of the walls, layers, etc. during pattern production.
一方で金属平板上に耐食層を形成しておき，他方で緻密枠，仕切壁，流体供給拡散層ブロック（一種のシート）を形成し，最後にこれらを熱圧着させることもできる。このとき緻密枠および仕切壁は金属平板上の耐食層と同時に作成してもよい。第１段階で金属平板上に耐食層と緻密枠と仕切壁とを作成し，この後第２段階で流体供給拡散層ブロックのペーストを金属平板の耐食層上に順次印刷し，乾燥させた後，ロールプレス（ホットプレス）で硬化させるようにすることもできる。 On the other hand, a corrosion-resistant layer is formed on a metal flat plate, and on the other hand, a dense frame, a partition wall, and a fluid supply diffusion layer block (a kind of sheet) are formed, and finally these can be thermocompression bonded. At this time, the dense frame and the partition wall may be formed simultaneously with the corrosion-resistant layer on the metal flat plate. In the first stage, a corrosion-resistant layer, a dense frame, and a partition wall are formed on the metal flat plate. After that, in the second stage, the fluid supply diffusion layer block paste is sequentially printed on the metal flat plate and dried. It can also be cured by a roll press (hot press).
または，次のような製造方法を用いることもできる。カーボンファイバー（ＣＦ），少量の黒煙微粒子（ＧＣＢ）および結着剤となる熱可塑性もしくは熱硬化性または繊維状物を形成する樹脂を混錬してシート状に形成し，硬化する前のグリーンシート状態のときに，供給通路，排出通路，分岐通路，支流通路（および供給溝，排出溝）に対応する形状の突起を有するスタンプ型をシートに押し当てて供給通路，排出通路等を形成する。これと同時に，またはこれに続けて，前記スタンプに付属する射出孔から，またはガス拡散層を挟んでこのスタンプの受けとなる冶具の射出孔から熱可塑性もしくは熱硬化性の樹脂を主成分とする流体を注入して仕切壁となる部分を形成し，最後にグリーンシートを熱処理し，これを耐食層が形成された金属平板に接着する。これは特に図２，図３の構造を有するセパレータの製造に好適である。 Alternatively, the following manufacturing method can be used. Green before being cured by kneading carbon fiber (CF), a small amount of black smoke fine particles (GCB), and a thermoplastic or thermosetting binder resin to form a fibrous material. When in the sheet state, a stamp die having a shape corresponding to the supply passage, discharge passage, branch passage, branch passage (and supply groove, discharge groove) is pressed against the sheet to form the supply passage, discharge passage, etc. . At the same time or subsequently, the main component is a thermoplastic or thermosetting resin from the injection hole attached to the stamp or from the injection hole of the jig that receives the stamp with the gas diffusion layer interposed therebetween. The fluid is injected to form a partition wall, and finally the green sheet is heat treated and bonded to a metal flat plate on which a corrosion-resistant layer is formed. This is particularly suitable for manufacturing a separator having the structure shown in FIGS.
流体供給拡散層ブロックの流体抵抗は，多孔質層の気孔率と流体の流れる方向に直交する面の面積（各層の高さ（厚さ）と幅）に依存する。気孔率が大きくなれば流体抵抗は小さくなる。流体が流れる面積が大きくなれば流体抵抗は小さくなる（単位面積当りの流体抵抗は一定である）。おおよその目安としては，流体供給拡散層ブロックの気孔率は，アノード・ガスの流体供給拡散層については30〜85％程度，カソード・ガスについては50〜85％程度，冷却水については70〜100％（100％は後述するリブによる流路区間の場合）程度である。気孔率Ｐは，測定が容易な，Ｐ＝（多孔質体中の気孔の体積）／（多孔質体の体積）で定められる。ここで，気孔は外部に通じていない気孔を含む真の気孔である。 The fluid resistance of the fluid supply diffusion layer block depends on the porosity of the porous layer and the area of the surface orthogonal to the fluid flow direction (height (thickness) and width of each layer). As the porosity increases, the fluid resistance decreases. As the area through which the fluid flows increases, the fluid resistance decreases (the fluid resistance per unit area is constant). As a rough guide, the porosity of the fluid supply diffusion layer block is about 30 to 85% for the anode gas fluid supply diffusion layer, about 50 to 85% for the cathode gas, and 70 to 100 for the cooling water. % (100% is in the case of a flow passage section using ribs described later). The porosity P is determined by P = (volume of pores in the porous body) / (volume of porous body), which is easy to measure. Here, the pores are true pores including pores that do not communicate with the outside.
変形例
図６から図９は変形例を示している。これらの変形例は，セパレータのうち，緻密枠32内の流体供給拡散層の形成エリアのみを示しており，緻密枠32，ガス供給孔，排出孔，冷却水供給孔，排出孔等の図示が省略されている。また，タイプＡのセパレータを図示するが，タイプＣ，Ｗのセパレータについても同じような変形例がある。さらに，既述のものと同一物については同一符号を付し，重複説明を避ける。
Modified Examples FIGS. 6 to 9 show modified examples. These modifications show only the formation area of the fluid supply diffusion layer in the dense frame 32 of the separator, and the illustration of the dense frame 32, the gas supply hole, the discharge hole, the cooling water supply hole, the discharge hole, and the like is shown. It is omitted. Further, although the type A separator is illustrated, there are similar modifications for the type C and W separators. In addition, the same components as those described above are denoted by the same reference numerals to avoid redundant description.
図６において，流体供給拡散層ブロック41Ｂにはガス供給溝55，排出溝56に相当するものはない。各ブロック41Ｂには流体供給分岐通路51Ａからその流入部分に直接にガスが進入し，全体に拡散しながら膜電極接合体81に供給され，残りは各ブロックの流出部分に向い，排出支流通路52Ａに出て，排出通路52に合流していく。４段の流体供給拡散層ブロック41Ｂが図示されているが，要すればさらに多段に流体供給拡散層ブロック41Ｂを設けて，これらを供給通路51（分岐供給通路51Ａ）と排出通路52（支流排出通路52Ａ）によって流体の流れに関して並列に接続すればよい。 In FIG. 6, none of the fluid supply diffusion layer block 41B corresponds to the gas supply groove 55 and the discharge groove 56. Gas enters each block 41B directly from the fluid supply branch passage 51A to the inflow portion thereof, and is supplied to the membrane electrode assembly 81 while diffusing throughout, and the rest is directed to the outflow portion of each block, and the discharge tributary passage 52A. To join the discharge passage 52. Although a four-stage fluid supply diffusion layer block 41B is shown in the figure, if necessary, fluid supply diffusion layer blocks 41B are provided in multiple stages, which are connected to a supply passage 51 (branch supply passage 51A) and a discharge passage 52 (branch discharge). The passages 52A) may be connected in parallel with respect to the fluid flow.
図７においては，方形の流体供給拡散層形成領域内に，多数の供給分岐通路51Ａと支流排出通路52Ａとが斜めにかつ平行に設けられている。各流体供給拡散層ブロック41Ｃの形は配置された場所によって異なる。すなわち，三角形状のもの，台形状のもの，平行四辺形状のものがあるが，流体が拡散する長さ（分岐供給通路51Ａから支流排出通路52Ａまで）はだいたい同程度に設定されている。この変形例においても，多数の流体供給拡散層ブロック41Ｃが供給通路51，分岐供給通路51Ａおよび排出通路52，支流排出通路52Ａによって，流体の流れに関して並列に接続されている。 In FIG. 7, a large number of supply branch passages 51 </ b> A and branch discharge passages 52 </ b> A are provided obliquely and in parallel in a square fluid supply diffusion layer forming region. The shape of each fluid supply diffusion layer block 41C varies depending on the location. That is, there are a triangular shape, a trapezoidal shape, and a parallelogram shape, but the length in which the fluid diffuses (from the branch supply passage 51A to the tributary discharge passage 52A) is set to approximately the same level. Also in this modification, a large number of fluid supply diffusion layer blocks 41C are connected in parallel with respect to the fluid flow by the supply passage 51, the branch supply passage 51A, the discharge passage 52, and the branch discharge passage 52A.
図８に示す変形例では，仕切壁53に相当するものを設けなくてもよい通路構造となっている。すなわち，流体供給拡散層ブロック41Ｄは３段であるが，これらのブロック41Ｄを挟むように供給分岐通路51Ａと排出支流通路52Ａとが交互に設けられている。分岐供給通路51Ａは供給通路51に連通し，支流排出通路52Ａは排出通路52に連通している。各ブロック41Ｄには分岐供給通路51Ａに連通する供給溝55と，支流排出通路52Ａに連通する排出溝56が設けられている。このようにして，複数の流体供給拡散層ブロック41Ｄは並列に接続されている。ブロック41Ｄの段数をもっと多くしてもよいのはいうまでもない。 In the modification shown in FIG. 8, the passage structure is not required to provide the partition wall 53. That is, although the fluid supply diffusion layer block 41D has three stages, supply branch passages 51A and discharge branch passages 52A are alternately provided so as to sandwich these blocks 41D. The branch supply passage 51A communicates with the supply passage 51, and the branch discharge passage 52A communicates with the discharge passage 52. Each block 41D is provided with a supply groove 55 communicating with the branch supply passage 51A and a discharge groove 56 communicating with the branch discharge passage 52A. In this way, the plurality of fluid supply diffusion layer blocks 41D are connected in parallel. Needless to say, the number of stages of the block 41D may be increased.
図９においても仕切壁57に相当するものは設けられていない。供給通路51，分岐供給通路51Ａ，排出通路52，支流排出通路52Ａの基本的構造は図８に示すものと同じである。異なる点は，流体供給拡散層ブロック41Ｅが４段設けられていることと，すべての分岐供給通路51Ａ，支流排出通路52Ａが平行に形成されている点である（図８では斜めの分岐供給通路51Ａ，支流排出通路52Ａがある）。複数の流体供給拡散層ブロック41Ｅは，供給通路51，分岐供給通路51Ａ，排出通路52，支流排出通路52Ａによって，流体の流れに関して並列に接続されている。 Also in FIG. 9, no part corresponding to the partition wall 57 is provided. The basic structure of the supply passage 51, the branch supply passage 51A, the discharge passage 52, and the tributary discharge passage 52A is the same as that shown in FIG. The difference is that four stages of fluid supply diffusion layer blocks 41E are provided, and all branch supply passages 51A and branch discharge passages 52A are formed in parallel (in FIG. 8, the oblique branch supply passages). 51A and tributary discharge passage 52A). The plurality of fluid supply diffusion layer blocks 41E are connected in parallel with respect to the fluid flow by the supply passage 51, the branch supply passage 51A, the discharge passage 52, and the branch discharge passage 52A.
図10に示す変形例はタイプＷのセパレータの他の例を示すものである。冷却水に関しては，必ずしも複数の流体供給拡散層ブロックを用いなくてもよいことを示す例である。すなわち，このセパレータ24Ａでは，冷却水供給口63Ｉと冷却水排出口63Ｏにそれぞれ接して設けられる流入層57と流出層58の間の広い流体供給拡散領域（空間）に波形のリブ43Ａが，冷却水の流路を形成するように，間隔をあけて設けられている。リブ43Ａは，多孔質材で形成されている。リブ43Ａは直線でもよいし，相互の間隔を変えてもよい。 The modification shown in FIG. 10 shows another example of the type W separator. Regarding cooling water, this is an example showing that it is not always necessary to use a plurality of fluid supply diffusion layer blocks. That is, in this separator 24A, the corrugated rib 43A is provided in the wide fluid supply diffusion region (space) between the inflow layer 57 and the outflow layer 58 provided in contact with the cooling water supply port 63I and the cooling water discharge port 63O, respectively. It is provided at intervals so as to form a water flow path. The rib 43A is formed of a porous material. The ribs 43A may be straight lines, or the interval between them may be changed.
上記においては，いずれも流体（水素，酸素，冷却水）はセパレータの縦方向に流れるようになっているが，距離の短い横方向に流れるように，すべての，またはいくつかの各供給孔，排出孔の位置を定めてもよい。 In all of the above, fluids (hydrogen, oxygen, cooling water) flow in the longitudinal direction of the separator, but all or some of the supply holes, The position of the discharge hole may be determined.
なお，多孔質層は最適運転条件等の情況に応じて撥水化または親水化することが好ましい。 The porous layer is preferably water repellent or hydrophilic depending on the circumstances such as optimum operating conditions.
セル構造体
セル・スタックはセパレータのカソード・ガス用の流体供給拡散層とアノード・ガス用の流体供給拡散層との間に膜電極接合体81（または触媒コート電解質膜）を挟んでスタックすることにより，そして必要に応じて冷却水の供給拡散層を適所に挿入して構成されている。
Cell structure The cell stack is stacked by sandwiching the membrane electrode assembly 81 (or catalyst coated electrolyte membrane) between the fluid supply diffusion layer for the cathode gas of the separator and the fluid supply diffusion layer for the anode gas. And, if necessary, a cooling water supply diffusion layer is inserted in place.
他の構成例として，セパレータ22（図１）や23（図５）の流体供給拡散層の表面上に多孔質層（膜）（好ましくはＭＰＬ）83を接合しておく。そして，膜触媒層接合体として触媒コート電解質膜（ＣＣＭ）（電解質膜82とその両面に接合した触媒層85とからなるもの）を用意し，セパレータの，それぞれ多孔質層83が接合されたカソード・ガス用流体供給拡散層とアノード・ガス用の流体供給拡散層との間に触媒コート電解質膜を挟んで，（必要に応じて冷却水供給拡散層を挿入して）積層することにより，セル・スタックを構築することもできる。 As another configuration example, a porous layer (membrane) (preferably MPL) 83 is bonded on the surface of the fluid supply diffusion layer of the separator 22 (FIG. 1) or 23 (FIG. 5). Then, a catalyst-coated electrolyte membrane (CCM) (consisting of an electrolyte membrane 82 and a catalyst layer 85 bonded to both surfaces thereof) is prepared as a membrane-catalyst layer assembly, and a cathode in which a porous layer 83 of each separator is bonded. -Cell stack by sandwiching a catalyst-coated electrolyte membrane between the fluid supply diffusion layer for gas and the fluid supply diffusion layer for anode and gas (by inserting a cooling water supply diffusion layer if necessary) -You can also build a stack.
図11はさらに他の構成例を示すものである。図11に示されたセル構造体80は，膜電極接合体81の一方の面にアノード・ガス用の流体供給拡散層41を，他方の面にカソード・ガス用の流体供給拡散層42をそれぞれ一体的に接合したものである。流体供給拡散層41の構成は図１に示すセパレータ22の流体供給拡散層41と同じであり（緻密枠32内の流体供給拡散層形成領域内の構成），流体供給拡散層42の構成は図５に示すセパレータ23の流体供給拡散層42と同じである。もちろん，図６から図９に示す変形例のような構成としてもよい。 FIG. 11 shows still another configuration example. The cell structure 80 shown in FIG. 11 has a fluid supply diffusion layer 41 for the anode / gas on one surface of the membrane electrode assembly 81 and a fluid supply diffusion layer 42 for the cathode / gas on the other surface. They are joined together. The configuration of the fluid supply diffusion layer 41 is the same as that of the fluid supply diffusion layer 41 of the separator 22 shown in FIG. 1 (configuration in the fluid supply diffusion layer formation region in the dense frame 32), and the configuration of the fluid supply diffusion layer 42 is illustrated in FIG. 5 is the same as the fluid supply diffusion layer 42 of the separator 23 shown in FIG. Of course, it is good also as a structure like the modification shown in FIGS.
このようなセル構造体80の両面に金属平板30（ガス供給孔61Ａ，62Ａ，ガス排出孔61Ｂ，62Ｂ，冷却水供給孔63Ａ，同排出孔63Ｂ等が形成され，ガスケット33が設けられたもの）（さらに好ましくは耐食層31が両面に形成されたもの）が接合される。すなわち，セル・スタックは隣接するセル構造体80の間に金属平板30を挟み込んで，セル構造体80を積層し，必要に応じて冷却水の供給拡散層を挿入することにより構築される。 Metal plate 30 (gas supply holes 61A, 62A, gas discharge holes 61B, 62B, cooling water supply holes 63A, discharge holes 63B, etc. are formed on both surfaces of such cell structure 80, and gasket 33 is provided. ) (More preferably, with the corrosion-resistant layer 31 formed on both surfaces). That is, the cell stack is constructed by sandwiching the metal flat plate 30 between adjacent cell structures 80, stacking the cell structures 80, and inserting a cooling water supply diffusion layer as necessary.
このようにセル・スタックをアセンブルするための構成要素である各種流体供給拡散層，金属平板，膜電極接合体等の組合せは任意であり，組合せたもの（接合したもの）をセル構造体として，複数のセル構造体を，必要に応じて他の要素を挿入しながら，スタックしていくことにより燃料電池セル・スタックを製造することができる。 In this way, the combination of various fluid supply diffusion layers, metal flat plates, membrane electrode assemblies, etc., which are the components for assembling the cell stack, is arbitrary, and the combination (bonded) is the cell structure. A fuel cell stack can be manufactured by stacking a plurality of cell structures while inserting other elements as necessary.
20 燃料電池スタック
21，22，23，24，24Ａ セパレータ
27Ａ，27Ｂ 集電板
28Ａ，28Ｂ 絶縁シート
30 金属平板
31 耐食層
32 緻密枠
33 ガスケット
41 流体（アノード・ガス）供給拡散層
41Ａ，41Ｂ，41Ｃ，41Ｄ，41Ｅ 流体（アノード・ガス）供給拡散層ブロック
42 流体（カソード・ガス）供給拡散層
42Ａ 流体（アノード・ガス）供給拡散層ブロック
43Ａ リブ
51 供給通路
51Ａ 分岐供給通路
52 排出通路
52Ａ 支流排出通路
53 仕切壁
55 （ガス）供給溝
56 （ガス）排出溝
57 流入層（供給通路）
58 流出層（排出通路）
61Ｉ，62Ｉ 流体供給口
61Ｏ，62Ｏ 流体排出口
75，76 エンド・プレート
80 セル構造体
81 膜電極接合体
81Ａ 枠（フレーム）
82 電解質膜
83 マルチポーラス（レイヤ）層
85 触媒層
20 Fuel cell stack
21, 22, 23, 24, 24A separator
27A, 27B Current collector
28A, 28B insulation sheet
30 metal plate
31 Corrosion resistant layer
32 Dense frame
33 Gasket
41 Fluid (anode gas) supply diffusion layer
41A, 41B, 41C, 41D, 41E Fluid (anode gas) supply diffusion layer block
42 Fluid (cathode gas) supply diffusion layer
42A Fluid (anode / gas) supply diffusion layer block
43A rib
51 Supply passage
51A branch supply passage
52 Discharge passage
52A Tributary discharge passage
53 partition wall
55 (Gas) supply groove
56 (Gas) discharge groove
57 Inflow layer (supply passage)
58 Outflow layer (discharge passage)
61I, 62I Fluid supply port
61O, 62O Fluid outlet
75, 76 End plate
80 cell structure
81 Membrane electrode assembly
81A frame
82 Electrolyte membrane
83 Multiporous layer
85 Catalyst layer
Claims (16)
各流体供給拡散層ブロックは，流体が該ブロックに入る流入部分と，流体が該ブロックから出る流出部分とを有し，
各流体供給拡散層ブロックの流入部分は，供給通路によってそれぞれ流体供給口に連通し，
各流体供給拡散層ブロックの流出部分は，排出通路によってそれぞれ流体排出口に連通している，
燃料電池のためのセパレータ。 A plurality of fluid supply diffusion layer blocks each formed of a porous layer are provided on at least one surface of the metal plate,
Each fluid supply diffusion layer block has an inflow portion where fluid enters the block and an outflow portion where fluid exits the block;
The inflow portion of each fluid supply diffusion layer block communicates with the fluid supply port through a supply passage,
The outflow portion of each fluid supply diffusion layer block communicates with the fluid discharge port through a discharge passage.
Separator for fuel cells.
各セパレータは，
金属板の少なくとも一面に，それぞれ多孔質層により形成された複数の流体供給拡散層ブロックが設けられ，各流体供給拡散層ブロックは，流体が該ブロックに入る流入部分と，流体が該ブロックから出る流出部分とを有し，各流体供給拡散層ブロックの流入部分は，供給通路によってそれぞれ流体供給口に連通し，各流体供給拡散層ブロックの流出部分は，排出通路によってそれぞれ流体排出口に連通しているものであり，
前記少なくとも２種類のセパレータはそれらの前記流体供給拡散層ブロックの間に，膜触媒層接合体を挟んで対向するように積層されている，
燃料電池のためのセル・スタック。 Including at least two types of separators for cathode fluid and anode fluid;
Each separator is
A plurality of fluid supply diffusion layer blocks each formed of a porous layer are provided on at least one surface of the metal plate, and each fluid supply diffusion layer block includes an inflow portion where fluid enters the block and fluid exits the block. Each fluid supply diffusion layer block communicates with a fluid supply port through a supply passage, and each fluid supply diffusion layer block communicates with a fluid discharge port through a discharge passage. Is,
The at least two kinds of separators are laminated so as to face each other with the membrane-catalyst layer assembly sandwiched between the fluid supply diffusion layer blocks.
Cell stack for fuel cells.
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