JP2005190710A - Fuel cell - Google Patents
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Abstract
【課題】セパレータの面内に沿って反応ガス等の流体を円滑且つ均一に供給することができ、小型且つ簡単な構成で、良好な発電性能を得ることを可能にする。
【解決手段】発電セル12は、電解質膜・電極構造体14と、第1及び第2金属セパレータ16、18とを備える。第1金属セパレータ16の面16aには、カソード側電極28に向かって突出する複数のエンボス部42が設けられる。第1金属セパレータ16の面16aの中央部分には、エンボス部42よりも大径なエンボス部42aが複数設けられる。
【選択図】図1
A fluid such as a reaction gas can be smoothly and uniformly supplied along a plane of a separator, and good power generation performance can be obtained with a small and simple configuration.
A power generation cell (12) includes an electrolyte membrane / electrode structure (14) and first and second metal separators (16, 18). A plurality of embossed portions 42 projecting toward the cathode side electrode 28 are provided on the surface 16 a of the first metal separator 16. A plurality of embossed portions 42 a having a larger diameter than the embossed portion 42 are provided in the central portion of the surface 16 a of the first metal separator 16.
[Selection] Figure 1
Description
本発明は、電解質の両側にそれぞれ電極を設けた電解質・電極構造体と、金属セパレータとを交互に積層するとともに、積層方向に貫通して少なくとも反応ガス連通孔が形成される燃料電池に関する。 The present invention relates to a fuel cell in which an electrolyte / electrode structure provided with electrodes on both sides of an electrolyte and metal separators are alternately stacked, and at least a reaction gas communication hole is formed through the stacking direction.
例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜(電解質)を採用している。この燃料電池は、電解質膜の両側に、それぞれ電極触媒と多孔質カーボンからなるアノード側電極及びカソード側電極を対設して構成される電解質膜・電極構造体を、セパレータ(バイポーラ板)によって挟持することにより構成される発電セルを備えている。通常、この発電セルを所定数だけ積層した燃料電池スタックが使用されている。 For example, a polymer electrolyte fuel cell employs an electrolyte membrane (electrolyte) made of a polymer ion exchange membrane. In this fuel cell, an electrolyte membrane / electrode structure constituted by an anode catalyst and a cathode electrode each made of an electrode catalyst and porous carbon is sandwiched between separators (bipolar plates) on both sides of the electrolyte membrane. It has a power generation cell constituted by doing. Usually, a fuel cell stack in which a predetermined number of the power generation cells are stacked is used.
この種の燃料電池において、アノード側電極に供給された燃料ガス(反応ガス)、例えば、主に水素を含有するガス(以下、水素含有ガスともいう)は、電極触媒上で水素がイオン化され、電解質膜を介してカソード側電極側へと移動する。その間に生じた電子は外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。なお、カソード側電極には、酸化剤ガス(反応ガス)、例えば、主に酸素を含有するガスあるいは空気(以下、酸素含有ガスともいう)が供給されているために、このカソード側電極において、水素イオン、電子及び酸素が反応して水が生成される。 In this type of fuel cell, a fuel gas (reactive gas) supplied to the anode electrode, for example, a gas mainly containing hydrogen (hereinafter also referred to as a hydrogen-containing gas) is hydrogen ionized on the electrode catalyst, It moves to the cathode side electrode side through the electrolyte membrane. Electrons generated during that time are taken out to an external circuit and used as direct current electric energy. The cathode side electrode is supplied with an oxidant gas (reaction gas), for example, a gas mainly containing oxygen or air (hereinafter also referred to as oxygen-containing gas). Hydrogen ions, electrons and oxygen react to produce water.
上記の燃料電池では、各セパレータの面内に、アノード側電極に対向して燃料ガスを流すための燃料ガス流路と、カソード側電極に対向して酸化剤ガスを流すための酸化剤ガス流路とが設けられている。また、セパレータ間には、必要に応じて冷却媒体を流すための冷却媒体流路が前記セパレータの面方向に沿って設けられている。 In the fuel cell described above, a fuel gas flow path for flowing fuel gas to face the anode side electrode and an oxidant gas flow for flowing oxidant gas to face the cathode side electrode in the plane of each separator. Roads are provided. Further, between the separators, a coolant flow path for allowing a coolant to flow as needed is provided along the surface direction of the separator.
燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路(以下、単に反応ガス流路ともいう)並びに冷却媒体流路は、一般的にセパレータの積層方向に貫通する流路入口から流路出口に向かって前記セパレータの面内に設けられる複数の流路溝を備えるとともに、この流路溝は、直線溝や折り返し溝で構成されている。 A fuel gas flow channel, an oxidant gas flow channel (hereinafter also referred to simply as a reaction gas flow channel) and a cooling medium flow channel are generally separated from the flow channel inlet penetrating in the stacking direction of the separator toward the flow channel outlet. A plurality of flow channel grooves provided in the plane of the film are provided, and the flow channel grooves are constituted by straight grooves or folded grooves.
ところが、複数の流路溝に対して開口の小さな流路入口や流路出口が設けられる場合、前記流路溝に沿って燃料ガス、酸化剤ガス又は冷却媒体等の流体をセパレータ面内に均一に流すために、前記流路入口や前記流路出口の周囲にバッファ部が必要になっている。さらに、複数の平行な流路溝では、特定の流路溝に生成水が滞留し易くなり、この生成水の排出効率が低下するおそれがある。 However, when a flow path inlet or flow path outlet with a small opening is provided for a plurality of flow path grooves, fluid such as fuel gas, oxidant gas, or cooling medium is uniformly distributed in the separator surface along the flow path grooves. In order to make it flow in, the buffer part is needed around the flow path inlet and the flow path outlet. Further, in the plurality of parallel flow channel grooves, the generated water tends to stay in the specific flow channel groove, and the discharge efficiency of the generated water may be reduced.
そこで、例えば、特許文献1に開示されている燃料電池用セパレータが知られている。この特許文献1では、図11に示すように、セパレータ板1は、エンボス加工乃至ディンプル加工が容易な金属材料で構成されており、その表裏両面には、数mm間隔で多数の突起2、3がエンボス加工乃至ディンプル加工により形成されている。
Therefore, for example, a fuel cell separator disclosed in
セパレータ板1の両側縁部には、例えば、燃料ガス入口4a及び燃料ガス出口4bが設けられるとともに、前記セパレータ板1の上下両端縁部には、例えば、酸化剤ガス入口5a及び酸化剤ガス出口5bが設けられている。
For example, a
突起2は、セパレータ板1の一方の面1a側に突出しており、前記突起2間には、燃料ガス入口4aと燃料ガス出口4bとに連通する燃料ガス流路6が形成されている。突起3は、セパレータ板1の他方の面1b側に突出しており、前記突起3間には、酸化剤ガス入口5aと酸化剤ガス出口5bとに連通する酸化剤ガス流路7が形成されている。
The
このような構成において、例えば、燃料ガス入口4aに供給された燃料ガスは、セパレータ板1の一方の面1aに供給されると、突起2間に連続して形成されている燃料ガス流路6を通って図示しない電極に供給されるとともに、未使用の燃料ガスが燃料ガス出口4bに排出される。
In such a configuration, for example, when the fuel gas supplied to the
一方、酸化剤ガス入口5aに供給された酸化剤ガスは、セパレータ板1の他方の面1bに突起3間に連続して形成されている酸化剤ガス流路7を介し、図示しない電極に供給されるとともに、未使用の酸化剤ガスが酸化剤ガス出口5bに排出される。
On the other hand, the oxidant gas supplied to the
ところが、セパレータ板1では、突起2、3がそれぞれ異なる面1a、1b側に突出して形成されるとともに、それぞれ独立した前記突起2、3により燃料ガス流路6及び酸化剤ガス流路7が形成されている。このため、面1a、1b内で燃料ガス及び酸化剤ガスが均一に流れず、燃料ガス流路6及び酸化剤ガス流路7内に燃料ガスや酸化剤ガスが十分に供給されない領域が発生し易い。
However, in the
具体的には、燃料ガス流路6及び酸化剤ガス流路7では、特に、セパレータ板1の面内中央部付近に燃料ガス及び酸化剤ガスが多く流れ易く、前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスの分配(流速)が前記セパレータ板1の面内でばらついてしまう。これにより、電極面内に燃料ガス及び酸化剤ガスを均一に供給することが困難になって、発電面全面で均一な発電ができないという問題が指摘されている。
Specifically, in the fuel gas flow path 6 and the oxidant gas flow path 7, in particular, a large amount of fuel gas and oxidant gas easily flow in the vicinity of the in-plane central portion of the
一方、セパレータ板1には、同様に冷却媒体流路が突起部間を連通して形成される場合がある。その際、冷却媒体が流れ難い部分が発生すると、発電時の電極の冷却が不十分となり、温度が高くなって湿度の低下による抵抗過電圧が増加するという問題がある。
On the other hand, in the
さらに、発電面内の発電分布にばらつきが発生したり、電解質膜の温度上昇による耐久性の低下が惹起されたりする。この種の性能低下を阻止するために多量の冷却媒体を流そうとすると、システム全体の効率が低下するとともに、圧損が増加するという不具合が惹起されてしまう。 Further, the power generation distribution in the power generation plane varies, and the durability is lowered due to the temperature rise of the electrolyte membrane. If an attempt is made to flow a large amount of cooling medium in order to prevent this kind of performance degradation, the efficiency of the entire system is lowered and a problem of increased pressure loss is caused.
本発明はこの種の問題を解決するものであり、セパレータの面内に沿って反応ガス等の流体を円滑且つ均一に供給することができ、小型且つ簡単な構成で、良好な発電性能を得ることが可能な燃料電池を提供することを目的とする。 The present invention solves this type of problem, and can smoothly and uniformly supply a fluid such as a reaction gas along the surface of the separator, and obtains good power generation performance with a small and simple configuration. An object of the present invention is to provide a fuel cell that can be used.
本発明に係る燃料電池では、電解質の両側にそれぞれ電極を設けた電解質・電極構造体と、金属セパレータとを交互に積層するとともに、積層方向に貫通して少なくとも反応ガス連通孔が形成されている。金属セパレータの一方の面には、電極に向かって突出する複数の第1突起部が設けられ、前記第1突起部間に前記一方の面に沿って一方の流体流路が形成されるとともに、前記金属セパレータの他方の面には、前記第1突起部とは反対側に突出する複数の第2突起部が設けられ、前記第2突起部間に前記他方の面に沿って他方の流体流路が形成されている。 In the fuel cell according to the present invention, the electrolyte / electrode structure provided with electrodes on both sides of the electrolyte and the metal separator are alternately laminated, and at least a reaction gas communication hole is formed through the lamination direction. . On one surface of the metal separator, a plurality of first protrusions projecting toward the electrode are provided, and one fluid flow path is formed along the one surface between the first protrusions, The other surface of the metal separator is provided with a plurality of second protrusions projecting on the opposite side to the first protrusion, and the other fluid flow is provided along the other surface between the second protrusions. A road is formed.
そして、金属セパレータの面内中央部分の第1突起部は、他の部分の前記第1突起部よりも大きな寸法に設定され、且つ前記金属セパレータの面内中央部分の第2突起部は、他の部分の前記第2突起部よりも大きな寸法に設定されている。ここで、第1及び第2突起部とは、例えば、エンボス乃至ディンプルを含む凸部をいう。 And the 1st projection part of the in-plane center part of a metal separator is set to a size larger than the 1st projection part of the other part, and the 2nd projection part of the in-plane center part of the metal separator is other The dimension is set to be larger than that of the second projecting portion. Here, the first and second protrusions refer to, for example, convex portions including embossing or dimples.
また、第1及び第2突起部は、平面視で円形状に構成されることが好ましい。さらに、反応ガス連通孔は、金属セパレータの対辺且つ点対称位置に設けられる反応ガス供給連通孔と反応ガス排出連通孔とを備え、前記反応ガス供給連通孔は、燃料ガス供給連通孔及び酸化剤ガス供給連通孔を有するとともに、前記反応ガス排出連通孔は、燃料ガス排出連通孔及び酸化剤ガス排出連通孔を有し、前記燃料ガス供給連通孔と前記酸化剤ガス排出連通孔とは、同一の辺に設けられる一方、前記酸化剤ガス供給連通孔と前記燃料ガス排出連通孔とは、同一の辺に設けられることが好ましい。 Moreover, it is preferable that a 1st and 2nd projection part is comprised by circular shape by planar view. Further, the reaction gas communication hole includes a reaction gas supply communication hole and a reaction gas discharge communication hole provided at opposite sides and point symmetrical positions of the metal separator, and the reaction gas supply communication hole includes the fuel gas supply communication hole and the oxidant. The reaction gas discharge communication hole has a fuel gas discharge communication hole and an oxidant gas discharge communication hole, and the fuel gas supply communication hole and the oxidant gas discharge communication hole are the same. The oxidant gas supply communication hole and the fuel gas discharge communication hole are preferably provided on the same side.
さらにまた、積層方向に貫通して冷却媒体連通孔が形成されるとともに、前記冷却媒体連通孔は、金属セパレータの反応ガス供給連通孔及び反応ガス排出連通孔が設けられる辺に直交する対辺に設けられる冷却媒体供給連通孔と冷却媒体排出連通孔とを備えることが好ましい。 Furthermore, a cooling medium communication hole is formed penetrating in the stacking direction, and the cooling medium communication hole is provided on the opposite side perpendicular to the side where the reaction gas supply communication hole and the reaction gas discharge communication hole of the metal separator are provided. It is preferable to provide a cooling medium supply communication hole and a cooling medium discharge communication hole.
また、流体流路は、燃料ガスを供給する燃料ガス流路、酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路又は冷却媒体を供給する冷却媒体流路のいずれかを備えることが好ましく、さらに電極の反応面は略正方形に設定されることが好ましい。 The fluid flow path preferably includes any one of a fuel gas flow path for supplying a fuel gas, an oxidant gas flow path for supplying an oxidant gas, or a cooling medium flow path for supplying a cooling medium. The reaction surface is preferably set to be approximately square.
本発明では、金属セパレータの面内中央部分の第1及び第2突起部が他の部分に比べて大きな寸法に設定されるため、前記面内中央部分を流れる反応ガスや冷却媒体等の流体は、抵抗が大きくなって流速が低下し易い。従って、金属セパレータの面内にわたって、流体の流速が均一化され、前記流体の分配性が有効に向上する。これにより、発電面全面に均一な発電が遂行され、小型且つ簡単な構成で、良好且つ効率的な発電性能を得ることが可能になる。 In the present invention, since the first and second protrusions of the in-plane center portion of the metal separator are set to be larger than the other portions, the fluid such as the reaction gas and the cooling medium flowing through the in-plane center portion , Resistance increases and the flow rate tends to decrease. Therefore, the flow rate of the fluid is made uniform over the plane of the metal separator, and the fluid distribution property is effectively improved. As a result, uniform power generation is performed on the entire power generation surface, and good and efficient power generation performance can be obtained with a small and simple configuration.
図1は、本発明の実施形態に係る燃料電池10の要部分解斜視図であり、図2は、前記燃料電池10を構成する発電セル12の一部断面説明図である。図1に示すように、燃料電池10は、複数の発電セル12が矢印A方向に積層されている。
FIG. 1 is an exploded perspective view of a main part of a
発電セル12は、電解質膜・電極構造体(電解質・電極構造体)14と、前記電解質膜・電極構造体14を挟持する第1及び第2金属セパレータ16、18とを備える。第1及び第2金属セパレータ16、18は、薄板状金属製プレート、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、あるいはめっき処理鋼板等を用い、プレス成形により所望の形状に成形されている。
The
発電セル12の矢印B方向(図1中、水平方向)の一端縁部には、積層方向である矢印A方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス供給連通孔(反応ガス連通孔)20aと、燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出するための燃料ガス排出連通孔(反応ガス連通孔)22bとが、矢印C方向(鉛直方向)に配列して設けられる。
One end edge of the
発電セル12の矢印B方向の他端縁部には、矢印A方向に互いに連通して、燃料ガスを供給するための燃料ガス供給連通孔(反応ガス連通孔)22aと、酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出連通孔(反応ガス連通孔)20bとが、矢印C方向に配列して設けられる。酸化剤ガス供給連通孔20aと酸化剤ガス排出連通孔20bとは、対辺位置に且つ略対角位置(点対称位置)に設けられる一方、燃料ガス供給連通孔22aと燃料ガス排出連通孔22bとは、同様に対辺位置に且つ略対角位置(点対称位置)に設けられる。
The other end edge of the
発電セル12の矢印C方向の一端縁部(下部)には、矢印A方向に互いに連通して、冷却媒体を供給するための冷却媒体供給連通孔24aが設けられる一方、前記発電セル12の矢印C方向の他端縁部(上部)には、冷却媒体を排出するための冷却媒体排出連通孔24bが設けられる。冷却媒体供給連通孔24aと冷却媒体排出連通孔24bとは、同様に対辺位置に且つ略対角位置(点対称位置)に設けられる。
One end edge (lower part) of the
電解質膜・電極構造体14は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜(電解質)26と、該固体高分子電解質膜26を挟持するカソード側電極28及びアノード側電極30とを備える。カソード側電極28及びアノード側電極30は、それぞれの反応面(発電面)が略正方形に設定されている。
The electrolyte membrane /
カソード側電極28及びアノード側電極30は、図2に示すように、カーボンペーパー等からなるガス拡散層32a、32bと、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が前記ガス拡散層32a、32bの表面に一様に塗布された電極触媒層34a、34bとをそれぞれ有する。電極触媒層34a、34bは、固体高分子電解質膜26の両面に接合されている。
As shown in FIG. 2, the
図1及び図3に示すように、第1金属セパレータ16の電解質膜・電極構造体14に向かう面16aには、酸化剤ガス流路(流体流路)36が設けられるとともに、この酸化剤ガス流路36は、酸化剤ガス供給連通孔20aと酸化剤ガス排出連通孔20bとに連通する。
As shown in FIGS. 1 and 3, an oxidant gas flow path (fluid flow path) 36 is provided on a
図1及び図4に示すように、第2金属セパレータ18の電解質膜・電極構造体14に向かう面18aには、燃料ガス供給連通孔22aと燃料ガス排出連通孔22bとを連通する燃料ガス流路(流体流路)38が形成される。第2金属セパレータ18の面18bと第1金属セパレータ16の面16bとの間には、冷却媒体供給連通孔24aと冷却媒体排出連通孔24bとを連通する冷却媒体流路(流体流路)40が形成される。
As shown in FIGS. 1 and 4, the fuel gas flow connecting the fuel gas
第1金属セパレータ16の面16aには、図3に示すように、カソード側電極28に向かって突出する複数の突起部、例えば、平面視で円形状のエンボス部42が設けられる。第1金属セパレータ16の面16aの中央部分には、エンボス部42よりも大径な(寸法の大きな)エンボス部42aが複数設けられる。エンボス部42同士の間隔及びエンボス部42a同士の間隔は、同一の距離a1に設定されている。エンボス部42、42a間には、これらのみによって酸化剤ガス流路36が形成される。
As shown in FIG. 3, the
第1金属セパレータ16の面16bには、第2金属セパレータ18に向かって突出する複数の突起部、例えば、平面視で円形状のエンボス部44が設けられる。エンボス部44は、エンボス部42よりも小径に設定されている。第1金属セパレータ16の面16bの中央部分には、エンボス部44よりも大径な(寸法の大きな)エンボス部44aが複数設けられる。エンボス部44同士の間隔及びエンボス部44a同士の間隔は、同一の距離a2に設定されている。
The
第1金属セパレータ16の面16a、16bには、この第1金属セパレータ16の外周端部を周回して、第1シール部材46が焼き付けや射出成形等により一体化される。第1シール部材46は、例えば、EPDM、NBR、フッ素ゴム、シリコンゴム、フロロシリコンゴム、ブチルゴム、天然ゴム、スチレンゴム、クロロプレーン、又はアクリルゴム等のシール材、クッション材、あるいはパッキン材を使用する。
The
図4に示すように、第2金属セパレータ18の面18aには、アノード側電極30に向かって突出する複数の突起部、例えば、平面視で円形状のエンボス部48が設けられる。第2金属セパレータ18の面18aの中央部分には、エンボス部48よりも大径な(寸法の大きな)エンボス部48aが複数設けられる。エンボス部48同士の間隔及びエンボス部48a同士の間隔は、同一の距離a1に設定されている。エンボス部48、48a間には、これらのみによって燃料ガス流路38が形成される。
As shown in FIG. 4, the
第2金属セパレータ18の面18bには、第1金属セパレータ16に向かって突出する複数の突起部、例えば、平面視で円形状のエンボス部50が設けられる。エンボス部50は、エンボス部48よりも小径に設定されている。第2金属セパレータ18の面18bの中央部分には、エンボス部50よりも大径な(寸法の大きな)エンボス部50aが複数設けられる。エンボス部50同士の間隔及びエンボス部50a同士の間隔は、同一の距離a2に設定されている。
The
第2金属セパレータ18の面18a、18bには、この第2金属セパレータ18の外周端部を周回して、第2シール部材52が焼き付けや射出成形等により一体化される。第2シール部材52は、第1シール部材46と同様に構成される。
The
このように構成される燃料電池10の動作について、以下に説明する。
The operation of the
図1に示すように、燃料電池10内には、水素含有ガス等の燃料ガスと、酸素含有ガスである空気等の酸化剤ガスと、純水やエチレングリコールやオイル等の冷却媒体とが供給される。このため、燃料電池10では、矢印A方向に重ね合わされた複数組の発電セル12に対し、燃料ガス、酸化剤ガス及び冷却媒体が供給される。
As shown in FIG. 1, a fuel gas such as a hydrogen-containing gas, an oxidant gas such as air that is an oxygen-containing gas, and a cooling medium such as pure water, ethylene glycol, or oil are supplied into the
矢印A方向に連通している燃料ガス供給連通孔22aに供給された燃料ガスは、図1及び図4に示すように、第2金属セパレータ18の燃料ガス流路38に導入され、電解質膜・電極構造体14を構成するアノード側電極30に沿って移動する。一方、酸化剤ガスは、図1及び図3に示すように、第1金属セパレータ16に設けられている酸化剤ガス流路36に導入され、電解質膜・電極構造体14を構成するカソード側電極28に沿って移動する。
As shown in FIGS. 1 and 4, the fuel gas supplied to the fuel gas
従って、各電解質膜・電極構造体14では、アノード側電極30に供給される燃料ガスと、カソード側電極28に供給される酸化剤ガスとが、電極触媒層34a、34b内で電気化学反応により消費され、発電が行われる(図2参照)。
Accordingly, in each electrolyte membrane /
次いで、アノード側電極30に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス排出連通孔22bに排出される(図4参照)。同様に、カソード側電極28に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス排出連通孔20bに排出される(図3参照)。
Next, the consumed fuel gas supplied to the
また、冷却媒体供給連通孔24aに供給された冷却媒体は、第1及び第2金属セパレータ16、18間の冷却媒体流路40に導入される。この冷却媒体は、鉛直上方向に移動しながら電解質膜・電極構造体14を冷却した後、冷却媒体排出連通孔24bに排出される(図1参照)。
Further, the cooling medium supplied to the cooling medium
この場合、本実施形態では、例えば、図3に示すように、第1金属セパレータ16の面16aに設けられている酸化剤ガス流路36が、複数のエンボス部42により形成されるとともに、前記面16aの中央部分には前記エンボス部42よりも大径なエンボス部42aが複数設けられている。このため、酸化剤ガス供給連通孔20aから酸化剤ガス流路36に供給される酸化剤ガスは、カソード側電極28の反応面(発電面)全面にわたって均一に流れた後、酸化剤ガス排出連通孔20bに排出される。
In this case, in the present embodiment, for example, as shown in FIG. 3, the oxidant
具体的には、第1金属セパレータ16の面16aに同一直径の複数のエンボス部42のみを用いて酸化剤ガス流路36を形成した場合、すなわち、大径なエンボス部42aを設けない場合、図5に示すように、各断面α−αでは、酸化剤ガスの流速が大きく変動してしまった。この断面α―αは、図3に示すα1−α2、α3−α4及びα5−α6に沿った断面位置を示している。
Specifically, when the oxidant
これにより、全て同一寸法のエンボス部42のみを用いて酸化剤ガス流路36が形成されると、面16aの中央部分近傍に酸化剤ガスが多く流れるため、各断面α−αで流速(分配)のばらつきが発生した。
As a result, when the oxidant
これに対して、面16aの中央部分に他のエンボス部42よりも大径なエンボス部42aを設けた場合、すなわち、本実施形態の場合、図6に示すように、断面α−αに沿った酸化剤ガスの流速が略均一なものとなった。面16aの中央部分に設けられた大径なエンボス部42aにより酸化剤ガスの流速が低下し、前記面16aの面内にわたって前記酸化剤ガスの流速が均一化されたからである。
On the other hand, when the embossed
このため、本実施形態では、カソード側電極28の発電面全面にわたって酸化剤ガスの分配性が有効に向上し、均一な発電が遂行されるとともに、小型且つ簡単な構成で、良好且つ効率的な発電性能を得ることが可能になるという効果が得られた。
For this reason, in the present embodiment, the oxidant gas distribution property is effectively improved over the entire power generation surface of the
同様に、面18aの面に同一直径のエンボス部48のみを用いて燃料ガス流路38を形成した場合、すなわち、大径なエンボス部48aを設けない場合、図7に示すように、断面α−αに沿って燃料ガスの流速にばらつきが発生した。
Similarly, when the
これに対して、図4に示すように、第2金属セパレータ18の面18aの中央部分に、他のエンボス部48よりも大径なエンボス部48aを設けた場合、すなわち、本実施形態では、図8に示すように、断面α−αに沿った燃料ガスの流速が均一化された。
On the other hand, as shown in FIG. 4, when the embossed
さらにまた、第1及び第2金属セパレータ16、18間にそれぞれエンボス部44、50のみにより冷却媒体流路40を形成した場合、すなわち、大径なエンボス部44a、50aを設けない場合、図3のβ1−β2、β3−β4及びβ5−β6に沿った断面β−βでは、冷却媒体の流速が大きく変化した(図9参照)。
Furthermore, when the cooling
これに対して、大径なエンボス部44a、50aを設けた本実施形態では、図10に示すように、中央部分の流速が有効に抑えられ、全体として均一な冷却媒体の流速が得られた。これにより、電解質膜・電極構造体14全面に沿って均一且つ良好な冷却が行われ、発電性能の向上を図ることができるという効果が得られる。
On the other hand, in the present embodiment in which the large-diameter embossed
さらにまた、図3に示すように、エンボス部42同士の間隔及びエンボス部42a同士の間隔は、同一の距離a1に設定されており、エンボス成形用金型の製作やプレス成形性を容易にすることができるという利点がある。
Furthermore, as shown in FIG. 3, the distance between the
また、本実施形態では、エンボス部42、42a、44、44a、48、48a、50及び50aが、平面視で円形状に構成されている。このため、酸化剤ガス、冷却媒体及び燃料ガスを円滑に整流して流すことが可能になる。
In the present embodiment, the
さらに、酸化剤ガス供給連通孔20aと酸化剤ガス排出連通孔20bとは、対辺位置に且つ略対角位置(点対称位置)に設けられている。従って、酸化剤ガス流路36は屈曲部がなく、略直線状に構成され、酸化剤ガスを円滑に流すことができる。
Furthermore, the oxidant gas
同様に、燃料ガス供給連通孔22aと燃料ガス排出連通孔22bとは、対辺位置に且つ略対角位置に設けられるとともに、冷却媒体供給連通孔24aと冷却媒体排出連通孔24bとは、対辺位置に且つ略対角位置に設けられる。これにより、燃料ガス及び冷却媒体は、屈曲部がなく直線状に且つ円滑に流動することが可能になる。
Similarly, the fuel gas
さらにまた、カソード側電極28及びアノード側電極30は、それぞれの反応面(発電面)が略正方形に設定されている。このため、反応面は、外周長さに対して反応面積を最も大きく取ることができ、発電効率の向上が容易に図られる。
Furthermore, the
なお、本実施形態では、第1及び第2金属セパレータ16、18に突起部としてエンボス加工されたエンボス部42、42a、44、44a、48、48a、50及び50aを設ける場合について説明したが、これに限定されるものではなく、例えば、ディンプル加工されたディンプル部(図示せず)を用いてもよい。
In the present embodiment, the case where the first and
また、本実施形態では、第1及び第2金属セパレータ16、18間に冷却媒体流路40を設ける構成を採用しているが、これに限定されるものではなく、前記冷却媒体流路40を所定数の発電セル12毎に間欠的に設けてもよい。
In the present embodiment, a configuration in which the cooling
10…燃料電池 12…発電セル
14…電解質膜・電極構造体 16、18…金属セパレータ
20a…酸化剤ガス供給連通孔 20b…酸化剤ガス排出連通孔
22a…燃料ガス供給連通孔 22b…燃料ガス排出連通孔
24a…冷却媒体供給連通孔 24b…冷却媒体排出連通孔
26…固体高分子電解質膜 28…カソード側電極
30…アノード側電極 36…酸化剤ガス流路
38…燃料ガス流路 40…冷却媒体流路
42、42a、44、44a、48、48a、50、50a…エンボス部
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記金属セパレータの一方の面には、該電極に向かって突出する複数の第1突起部が設けられ、前記第1突起部間に前記一方の面に沿って一方の流体流路が形成されるとともに、
前記金属セパレータの他方の面には、前記第1突起部とは反対側に突出する複数の第2突起部が設けられ、前記第2突起部間に前記他方の面に沿って他方の流体流路が形成され、
前記金属セパレータの面内中央部分の前記第1突起部は、他の部分の前記第1突起部よりも大きな寸法に設定され、且つ前記金属セパレータの面内中央部分の前記第2突起部は、他の部分の前記第2突起部よりも大きな寸法に設定されることを特徴とする燃料電池。 A fuel cell in which an electrolyte / electrode structure provided with electrodes on both sides of an electrolyte and a metal separator are alternately laminated, and at least a reaction gas communication hole is formed through the lamination direction,
A plurality of first protrusions projecting toward the electrode are provided on one surface of the metal separator, and one fluid flow path is formed along the one surface between the first protrusions. With
The other surface of the metal separator is provided with a plurality of second protrusions projecting on the opposite side of the first protrusion, and the other fluid flow along the other surface between the second protrusions. A road is formed,
The first protrusion of the in-plane central portion of the metal separator is set to a size larger than the first protrusion of the other portion, and the second protrusion of the in-plane central portion of the metal separator is The fuel cell is characterized in that it is set to a size larger than that of the second protrusion of the other part.
前記反応ガス供給連通孔は、燃料ガス供給連通孔及び酸化剤ガス供給連通孔を有するとともに、
前記反応ガス排出連通孔は、燃料ガス排出連通孔及び酸化剤ガス排出連通孔を有し、
前記燃料ガス供給連通孔と前記酸化剤ガス排出連通孔とは、同一の辺に設けられる一方、
前記酸化剤ガス供給連通孔と前記燃料ガス排出連通孔とは、同一の辺に設けられることを特徴とする燃料電池。 3. The fuel cell according to claim 1, wherein the reaction gas communication hole includes a reaction gas supply communication hole and a reaction gas discharge communication hole provided on opposite sides of the metal separator in a point-symmetric position,
The reactive gas supply communication hole has a fuel gas supply communication hole and an oxidant gas supply communication hole,
The reaction gas discharge communication hole has a fuel gas discharge communication hole and an oxidant gas discharge communication hole,
While the fuel gas supply communication hole and the oxidant gas discharge communication hole are provided on the same side,
The fuel cell according to claim 1, wherein the oxidant gas supply communication hole and the fuel gas discharge communication hole are provided on the same side.
前記冷却媒体連通孔は、前記金属セパレータの前記反応ガス供給連通孔及び前記反応ガス排出連通孔が設けられる辺に直交する対辺に設けられる冷却媒体供給連通孔と冷却媒体排出連通孔とを備えることを特徴とする燃料電池。 The fuel cell according to any one of claims 1 to 3, wherein a cooling medium communication hole is formed through the stacking direction,
The cooling medium communication hole includes a cooling medium supply communication hole and a cooling medium discharge communication hole provided on opposite sides of the metal separator that are orthogonal to the side where the reaction gas supply communication hole and the reaction gas discharge communication hole are provided. A fuel cell.
6. The fuel cell according to claim 1, wherein a reaction surface of the electrode is set to be substantially square.
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