JP2010061995A

JP2010061995A - Fuel cell

Info

Publication number: JP2010061995A
Application number: JP2008226471A
Authority: JP
Inventors: Takumi Tanaka; 拓海田中
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2008-09-03
Filing date: 2008-09-03
Publication date: 2010-03-18

Abstract

【課題】燃料電池において、ガス流路を流れるガス流量の適切化を図り、燃料電池の発電性能を向上させる。
【解決手段】エキスパンドメタル２８を構成するメッシュが、ガス流路１６のガス流入端ＧＦ−Ｉｎからガス流出端ＧＦ−Ｏｕｔへ向う方向に対し傾斜面をなすように配置され、なおかつ、メッシュのストランド部ＳＴ又はボンド部ＢＯのセパレータ１８の表面に対し鋭角に配置される側の表面と、セパレータ１８の表面との角度が、二種類の傾斜角度θ_１、θ_２から構成されている。二種類の傾斜角度θ_１、θ_２に係るストランド部ＳＴ_１、ＳＴ_２又はボンド部ＢＯ_１、ＢＯ_２の角度を適宜設定することにより、セパレータ１８に供給されるガス量と、ガス拡散層１４に供給されるガス量とを、適切に調整することができる。
【選択図】図１An object of the present invention is to improve the power generation performance of a fuel cell by optimizing the flow rate of gas flowing in a gas flow path.
The mesh constituting the expanded metal 28 is disposed so as to form an inclined surface with respect to the direction from the gas inflow end GF-In to the gas outflow end GF-Out of the gas flow path 16, and the strand of the mesh. The angle between the surface of the part ST or the bond part BO that is disposed at an acute angle with respect to the surface of the separator 18 and the surface of the separator 18 is composed of two types of inclination angles θ ₁ and θ ₂ . By appropriately setting the angles of the strand portions ST ₁ and ST ₂ or the bond portions BO ₁ and BO ₂ related to the two types of inclination angles θ ₁ and θ ₂ , the amount of gas supplied to the separator 18 and the gas diffusion layer 14 The amount of gas supplied to can be adjusted appropriately.
[Selection] Figure 1

Description

本発明は、燃料電池に関するものである。 The present invention relates to a fuel cell.

燃料電池は、複数種類のセル構成部材が積層されることによって、最小単位であるセル（単セル）が構成され、なおかつ、セルが複数枚積層されたスタック構造となることで、必要な電圧が確保されるものである。かかるスタック構造において、各セルの最外層に位置してスタック内の各セルを区分けする部材として、板状の部品であるセパレータが用いられている。又、セパレータは、アノード側に燃料ガスをカソード側に酸化剤を各々供給する機能、セルで発電された電気の導電機能、セル内で発生する生成水の排出を行う機能等、様々な役目を担っている。 A fuel cell has a stack structure in which a plurality of types of cell constituent members are stacked to form a minimum unit cell (single cell) and a plurality of cells are stacked. It is ensured. In such a stack structure, a separator, which is a plate-like component, is used as a member that is positioned in the outermost layer of each cell and separates each cell in the stack. The separator has various functions such as a function of supplying fuel gas to the anode side and an oxidizing agent to the cathode side, a function of conducting electricity generated by the cell, and a function of discharging generated water generated in the cell. I'm in charge.

さて、図８には、固体高分子型燃料電池のセル構造の一例が示されている。このセル１０は、膜・電極接合体１２（Membrane Electrode Assembly：以下、「ＭＥＡ」という。）がセル１０の厚み方向の中心部に配置され、その両面に、ガス拡散層１４（アノード側/カソード側のガス拡散層１４Ａ、１４Ｃ）、ガス流路１６（アノード側/カソード側のガス流路１６Ａ、１６Ｃ）、セパレータ１８（アノード側/カソード側のセパレータ１８Ａ、１８Ｃ）が夫々配置された構造となっている。なお、ＭＥＡ１２とガス拡散層１４とが一体となった膜電極ガス拡散層接合体（ＭＥＧＡ：Membrane Electrode ＆Gas Diffusion
Layer Assembly）が用いられる例もある。
そして、図８のようにガス流路１６がセパレータ１８と別体構造をなすセル１０構造においては、ガス流路１６を形成する構造物として、例えばエキスパンドメタルが用いられることで、上述の如きセパレータの機能を分担、保持している（例えば、特許文献１参照）。 FIG. 8 shows an example of a cell structure of a solid polymer fuel cell. In this cell 10, a membrane / electrode assembly 12 (hereinafter referred to as “MEA”) is disposed at the center of the cell 10 in the thickness direction, and a gas diffusion layer 14 (anode side / cathode) is formed on both surfaces of the cell 10. Side gas diffusion layers 14A, 14C), gas passages 16 (anode side / cathode side gas passages 16A, 16C), and separators 18 (anode side / cathode side separators 18A, 18C), respectively. It has become. A membrane electrode gas diffusion layer assembly (MEGA: Membrane Electrode & Gas Diffusion) in which the MEA 12 and the gas diffusion layer 14 are integrated.
In some cases, Layer Assembly is used.
In the cell 10 structure in which the gas flow path 16 forms a separate structure from the separator 18 as shown in FIG. 8, for example, an expanded metal is used as a structure forming the gas flow path 16, so that the separator as described above is used. (See, for example, Patent Document 1).

特開２００８−１０８５７３号公報JP 2008-108573 A

ところで、セル１０のガス流路１６を形成する構造物として用いられるエキスパンドメタル２０は、例えば、図９に示されるような亀甲形のメッシュ２２が、いわゆる千鳥配置された連続構造をなしている。このエキスパンドメタル２０は、平板材料を送りながら金型によって一段づつ切れ込みを入れることによってメッシュ２２が形成されるという製造手順（後述する）に起因して、各メッシュ２２が、材料送り方向〔（Materials）Forwarding Direction：以下、本説明において「ＦＤ方向」ともいう。〕に、階段状に連なった構造となっている。
そして、図８に示されたセル１０において、エキスパンドメタル２０は、図１０に示されるようにメッシュ２２がガス拡散層１４とセパレータ１８との間に傾斜面を構成するようにして配置されることで、千鳥配置されたメッシュ２２と、ガス拡散層１４表面及びセパレータ１８表面との間に、図１０に斜線部で示される三角形状の空間２４が、千鳥状に構成される。従って、ガス流路１６を流れるガスは、千鳥状に配置された三角形状の空間２４を順に伝ってＦＤ方向へと流れ、この際、ガス流ＧＦは図９に示されるように、ＦＤ方向と直交する方向〔Transverse Direction又はTool Direction：以下、本説明において「ツール送り方向」又は「ＴＤ方向」ともいう。〕に揺動し、ターンを繰り返す態様の流れとなる。 By the way, the expanded metal 20 used as a structure forming the gas flow path 16 of the cell 10 has a continuous structure in which, for example, a turtle shell-shaped mesh 22 as shown in FIG. This expanded metal 20 is produced by a manufacturing procedure (described later) in which meshes 22 are formed by cutting one step at a time while feeding a flat plate material. ) Forwarding Direction: Hereinafter, also referred to as “FD direction” in this description. ], It has a structure connected in a staircase pattern.
In the cell 10 shown in FIG. 8, the expanded metal 20 is disposed so that the mesh 22 forms an inclined surface between the gas diffusion layer 14 and the separator 18 as shown in FIG. Thus, between the meshes 22 arranged in a staggered manner, and the surfaces of the gas diffusion layer 14 and the separator 18, triangular spaces 24 indicated by hatched portions in FIG. 10 are configured in a staggered manner. Accordingly, the gas flowing in the gas flow path 16 sequentially flows in the triangular space 24 arranged in a staggered manner in the FD direction, and at this time, the gas flow GF is changed to the FD direction as shown in FIG. The direction orthogonal [Transverse Direction or Tool Direction: hereinafter, also referred to as “tool feed direction” or “TD direction”. ], And the flow is such that the turn is repeated.

したがって、図１０に斜線部で示される三角形状の空間２４の断面積が、ガス流路１６
を流れるガスの流量に大きく影響することになるが、ガス流路１６を流れるガス流ＧＦの流量が過剰となると、電極において発生する生成水の排水性が低下し、ガス拡散性の悪化により濃度過電圧の増加、電圧安定性の悪化を来たすと共に、滞留する水によるカソード側のガス流路１６Ｃの流路断面積の減少により、ガス圧損の増加を招くこととなる。一方、ガス流路１６を流れるガス流ＧＦの流量が不足する場合には、ＭＥＡ１２の電解質膜が乾燥し易くなり、抵抗過電圧が大きくなってしまう。
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、セル構成部材間に配置されたエキスパンドメタルによりガス流路が形成されたセル構造を有する燃料電池において、ガス流路のセパレータ近傍及びセパレータとは反対側のセル構成部材の近傍を流れるガス流量の適切化を図り、燃料電池の発電性能を向上させることにある。 Therefore, the cross-sectional area of the triangular space 24 indicated by the hatched portion in FIG.
However, if the flow rate of the gas flow GF flowing through the gas flow path 16 becomes excessive, the drainage of the generated water generated at the electrode is lowered, and the concentration of the gas due to the deterioration of the gas diffusibility. As the overvoltage increases and the voltage stability deteriorates, the gas pressure loss increases due to the decrease in the channel cross-sectional area of the cathode-side gas channel 16C due to the remaining water. On the other hand, when the flow rate of the gas flow GF flowing through the gas flow path 16 is insufficient, the electrolyte membrane of the MEA 12 becomes easy to dry, and the resistance overvoltage increases.
The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a gas flow path in a fuel cell having a cell structure in which a gas flow path is formed by expanded metal disposed between cell constituent members. It is intended to improve the power generation performance of the fuel cell by optimizing the flow rate of gas flowing in the vicinity of the separator and in the vicinity of the cell constituent member opposite to the separator.

上記課題を解決するために、本発明の燃料電池は、セル構成部材間に配置されたエキスパンドメタルによりガス流路が形成されたセル構造を有する燃料電池であって、エキスパンドメタルのメッシュと、セパレータとの間又はセパレータとは反対側に位置するセル構成部材との間に、各々、ガス通路として機能するための空間が形成されるものであり、なおかつ、セパレータに接する側とその反対側とで、ガス流量に差を設けることにより、ガス流路を流れるガス流量の適切化を図るものである。
（発明の態様）
以下の発明の態様は、本発明の構成を例示するものであり、本発明の多様な構成の理解を容易にするために、項別けして説明するものである。各項は、本発明の技術的範囲を限定するものではなく、発明を実施するための最良の形態を参酌しつつ、各項の構成要素の一部を置換し、削除し、又は、更に他の構成要素を付加したものについても、本願発明の技術的範囲に含まれ得るものである。 In order to solve the above-mentioned problems, a fuel cell according to the present invention is a fuel cell having a cell structure in which a gas flow path is formed by expanded metal disposed between cell constituent members, the expanded metal mesh, and a separator. Or a cell component located on the opposite side of the separator is formed with a space for functioning as a gas passage, and on the side in contact with the separator and on the opposite side thereof. By providing a difference in the gas flow rate, the flow rate of gas flowing through the gas flow path is optimized.
(Aspect of the Invention)
The following aspects of the present invention exemplify the configuration of the present invention, and will be described separately for easy understanding of various configurations of the present invention. Each section does not limit the technical scope of the present invention, and some of the components of each section are replaced, deleted, or further while referring to the best mode for carrying out the invention. Those to which the above components are added can also be included in the technical scope of the present invention.

（１）セパレータを含むセル構成部材間に配置されたエキスパンドメタルによりガス流路が形成されたセル構造を有する燃料電池であって、前記エキスパンドメタルを構成するメッシュが、前記ガス流路のガス流入端からガス流出端へ向う方向に対し傾斜面をなすように配置され、なおかつ、該メッシュのストランド部又はボンド部の前記セパレータの表面に対し鋭角に配置される側の表面と、前記セパレータの表面との角度が、二種類の傾斜角度から構成されている燃料電池（請求項１）。
本項に記載の燃料電池は、エキスパンドメタルを構成するメッシュのストランド部又はボンド部のセパレータの表面に対し鋭角に配置される側の表面と、セパレータの表面との角度が、二種類の傾斜角度から構成されていることによって、メッシュと、セパレータ又はその反対側のセル構成部材との間に各々形成される、ガス流路となる空間の断面積に、大小の差が生じることとなる。そして、セパレータの近傍を流れるガスの流量と、セパレータの反対側のセル構成部材の近傍を流れるガスの流量とに差が生じることで、セパレータに供給されるガス量と、セパレータの反対側のセル構成部材（例えばガス拡散層）に供給されるガス量とを、適切に調整するものである。 (1) A fuel cell having a cell structure in which a gas flow path is formed by an expanded metal disposed between cell constituent members including a separator, wherein the mesh constituting the expanded metal is a gas inflow of the gas flow path A surface that is disposed so as to form an inclined surface with respect to a direction from the end toward the gas outflow end, and that is disposed at an acute angle with respect to the surface of the separator in the strand portion or bond portion of the mesh, and the surface of the separator The fuel cell is composed of two types of inclination angles (claim 1).
In the fuel cell described in this section, the angle between the surface of the mesh strand portion constituting the expanded metal or the surface of the separator disposed at an acute angle with respect to the separator surface and the surface of the separator are two kinds of inclination angles. Therefore, there is a large or small difference in the cross-sectional area of the space serving as the gas flow path formed between the mesh and the separator or the cell constituent member on the opposite side. Then, a difference occurs between the flow rate of the gas flowing in the vicinity of the separator and the flow rate of the gas flowing in the vicinity of the cell constituent member on the opposite side of the separator, so that the amount of gas supplied to the separator and the cell on the opposite side of the separator The amount of gas supplied to the structural member (for example, gas diffusion layer) is appropriately adjusted.

（２）上記（１）項において、前記ストランド部又は前記ボンド部に係る二種類の傾斜角度の境界線が、前記エキスパンドメタルの、全厚の中間部に設けられている燃料電池（請求項２）。
本項に記載の燃料電池は、ストランド部又はボンド部に係る二種類の傾斜角度の境界線が、エキスパンドメタルの、全厚の中間部に設けられているものであるが、エキスパンドメタルの「全厚」は、後述のように、セル構成部材間に配置された状態における、エキスパンドメタルの厚みである。よって、本項に記載の燃料電池は、エキスパンドメタルにより構成されるガス流路の厚み方向中間部に、二種類の傾斜角度のストランド部又はボンド部の境界線が位置するものである。従って、メッシュと、セパレータ又はその反対側のセル構成部材との間に、各々、ガス通路として機能するための、断面積の異なる空間が形成
される。そして、ストランド部又はボンド部に係る二種類の傾斜角度を適宜設定することにより、ガス流路となる空間の断面積に大小の差が生じ、セパレータの近傍を流れるガスの流量と、セパレータの反対側のセル構成部材の近傍を流れるガスの流量とに差が生じることで、セパレータに供給されるガス量と、セパレータの反対側のセル構成部材に供給されるガス量とを、適切に調整するものである。 (2) In the above paragraph (1), a fuel cell in which boundary lines of two kinds of inclination angles related to the strand part or the bond part are provided in an intermediate part of the full thickness of the expanded metal (claim 2). ).
In the fuel cell described in this section, the boundary line of two kinds of inclination angles related to the strand part or the bond part is provided in the middle part of the expanded metal in the entire thickness. As described later, the “thickness” is the thickness of the expanded metal in a state of being disposed between the cell constituent members. Therefore, in the fuel cell described in this section, the boundary line of the strand part or the bond part of two kinds of inclination angles is located in the middle part in the thickness direction of the gas flow path constituted by the expanded metal. Therefore, a space having a different cross-sectional area is formed between the mesh and the separator or the cell constituent member on the opposite side. Then, by appropriately setting the two types of inclination angles related to the strand part or the bond part, there is a large or small difference in the cross-sectional area of the space that becomes the gas flow path, the flow rate of the gas flowing in the vicinity of the separator, and the opposite of the separator The amount of gas supplied to the separator and the amount of gas supplied to the cell constituent member on the opposite side of the separator are appropriately adjusted by causing a difference in the flow rate of the gas flowing in the vicinity of the cell constituent member on the side. Is.

（３）上記（１）、（２）項において、前記ストランド部又は前記ボンド部に係る二種類の傾斜角度の境界線が、セパレータ及び該セパレータとは反対側に位置するセル構成部材のいずれとも離間した位置に設けられている燃料電池（請求項３）。
本項に記載の燃料電池は、ストランド部又はボンド部に係る二種類の傾斜角度の境界線が、セパレータ及び該セパレータとは反対側に位置するセル構成部材のいずれとも離間した位置に設けられている。従って、メッシュと、セパレータ又はその反対側のセル構成部材との間に、各々、ガス通路として機能するための、断面積の異なる空間が形成される。そして、ストランド部又はボンド部に係る二種類の傾斜角度を適宜設定することにより、ガス流路となる空間の断面積に大小の差が生じ、セパレータの近傍を流れるガスの流量と、セパレータの反対側のセル構成部材の近傍を流れるガスの流量とに差が生じることで、セパレータに供給されるガス量と、セパレータの反対側のセル構成部材に供給されるガス量とを、適切に調整するものである。 (3) In the above items (1) and (2), the boundary line of two kinds of inclination angles related to the strand part or the bond part is both a separator and a cell constituent member located on the opposite side of the separator. A fuel cell provided at a spaced position (Claim 3).
In the fuel cell described in this section, the boundary line of two kinds of inclination angles related to the strand part or the bond part is provided at a position separated from both the separator and the cell constituent member located on the opposite side of the separator. Yes. Therefore, a space having a different cross-sectional area is formed between the mesh and the separator or the cell constituent member on the opposite side. Then, by appropriately setting the two types of inclination angles related to the strand part or the bond part, there is a large or small difference in the cross-sectional area of the space that becomes the gas flow path, the flow rate of the gas flowing in the vicinity of the separator, and the opposite of the separator The amount of gas supplied to the separator and the amount of gas supplied to the cell constituent member on the opposite side of the separator are appropriately adjusted by causing a difference in the flow rate of the gas flowing in the vicinity of the cell constituent member on the side. Is.

（４）上記（１）から（３）項において、前記ストランド部又はボンド部に係る二種類の傾斜角度は、前記メッシュと、セパレータ又はセパレータとは反対側に位置するセル構成部材との間に、各々、ガス通路として機能するための空間が形成される範囲に設定されている燃料電池（請求項４）。
本項に記載の燃料電池は、ストランド部又はボンド部に係る二種類の傾斜角度の角度を適宜設定することにより、メッシュと、セパレータ又はセパレータとは反対側に位置するセル構成部材との間に、ガス流路となる空間の断面積の異なる空間が形成される。そして、セパレータの近傍を流れるガスの流量と、セパレータの反対側のセル構成部材の近傍を流れるガスの流量とに差が生じることで、セパレータに供給されるガス量と、セパレータの反対側のセル構成部材に供給されるガス量とを、適切に調整するものである。 (4) In the above items (1) to (3), two kinds of inclination angles related to the strand part or the bond part are between the mesh and the cell constituent member located on the side opposite to the separator or the separator. Each of the fuel cells is set in a range in which a space for functioning as a gas passage is formed.
In the fuel cell described in this section, by appropriately setting the angles of the two kinds of inclination angles related to the strand part or the bond part, between the mesh and the cell constituent member located on the opposite side of the separator or separator. A space having a different cross-sectional area of the space serving as the gas flow path is formed. Then, a difference occurs between the flow rate of the gas flowing in the vicinity of the separator and the flow rate of the gas flowing in the vicinity of the cell constituent member on the opposite side of the separator, so that the amount of gas supplied to the separator and the cell on the opposite side of the separator The amount of gas supplied to the component is appropriately adjusted.

（５）上記（１）から（４）項において、前記ストランド部又はボンド部に係る二種類の傾斜角度は、いずれも、０度を超え９０度に満たない範囲に設定されている燃料電池（請求項５）。
本項に記載の燃料電池は、ストランド部又はボンド部に係る二種類の傾斜角度は、いずれも、０度を超え９０度に満たない範囲に設定されていることにより、ストランド部又はボンド部に係る二種類の傾斜角度の壁面は、いずれも、セパレータとの間又はセパレータとは反対側に位置するセル構成部材と密着することはなく、夫々の傾斜角度に応じて、メッシュと、セパレータとの間又はセパレータとは反対側に位置するセル構成部材との間に、ガス通路として機能するための、断面積の異なる空間が形成される。そして、セパレータの近傍を流れるガスの流量と、セパレータの反対側のセル構成部材の近傍を流れるガスの流量とに差が生じることで、セパレータに供給されるガス量と、セパレータの反対側のセル構成部材に供給されるガス量とを、適切に調整するものである。 (5) In the above items (1) to (4), the two kinds of inclination angles related to the strand part or the bond part are both set to a range exceeding 0 degree and less than 90 degrees ( Claim 5).
In the fuel cell described in this section, the two kinds of inclination angles related to the strand part or the bond part are both set to a range exceeding 0 degree and less than 90 degrees, so that the strand part or the bond part None of the wall surfaces of the two types of inclination angles are in close contact with the cell constituent members located between the separators or on the opposite side of the separator, and according to the respective inclination angles, the mesh and the separator A space having a different cross-sectional area for functioning as a gas passage is formed between or between the cell constituent members located on the opposite side of the separator. Then, a difference occurs between the flow rate of the gas flowing in the vicinity of the separator and the flow rate of the gas flowing in the vicinity of the cell constituent member on the opposite side of the separator, so that the amount of gas supplied to the separator and the cell on the opposite side of the separator The amount of gas supplied to the component is appropriately adjusted.

本発明はこのように構成したので、セル構成部材間に配置されたエキスパンドメタルによりガス流路が形成されたセル構造を有する燃料電池において、ガス流路のセパレータ近傍及びセパレータとは反対側のセル構成部材の近傍を流れるガス流量の適切化を図り、燃料電池の発電性能を向上させることができる。 Since the present invention is configured as described above, in the fuel cell having a cell structure in which the gas flow path is formed by the expanded metal disposed between the cell constituent members, in the vicinity of the separator of the gas flow path and the cell opposite to the separator By optimizing the flow rate of gas flowing in the vicinity of the constituent members, the power generation performance of the fuel cell can be improved.

以下、本発明を実施するための最良の形態を添付図面に基づいて説明する。なお、従来技術と同一部分若しくは相当する部分については、詳しい説明を省略する。
まず、本発明を実施するための最良の形態を説明するにあたり、予め、図７を参照しながらエキスパンドメタルの各部名称を明らかにする。エキスパンドメタルは、一般的には、既に説明した亀甲形のメッシュ２２（図９、図７（ｃ）参照）や、図７（ａ）に示されるような、菱形のメッシュ２６が、いわゆる千鳥配置された連続構造をなしている。そして、メッシュの交差部をボンド部ＢＯ、メッシュのボンド部ＢＯ間をつなぐ部分をストランド部ＳＴという。又、ボンド部ＢＯのＴＤ方向の長さをボンド長さＢＯｌ、ストランド部ＳＴの厚みを刻み幅（送り幅）Ｗという。図中、符号ｔは素材の板厚、符号Ｄはエキスパンドメタルの全厚であり、この全厚Ｄが、セル構成部材間に配置された状態における、エキスパンドメタルの厚みとなる。なお、図７には、併せてＦＤ方向（材料送り方向）、ＴＤ方向（ツール送り方向）及びＷＤ方向（メッシュの刻み幅方向）を示している。
各部名称から明らかなように、亀甲形のメッシュ２２は、ボンド部ＢＯのボンド長さＢＯｌの長いメッシュ形状であり、菱形のメッシュ２６は、ボンド部ＢＯのボンド長さＢＯｌの短いメッシュ形状である。そして、菱形のメッシュ２６のＦＤ方向断面形状（Ａ−Ａ断面形状）と、亀甲形のメッシュ２２のＦＤ方向断面形状（Ａ’−Ａ’断面図）とは同一であることから、図７（ｂ）に両者のＦＤ方向断面形状を示している。 The best mode for carrying out the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings. Detailed description of the same or corresponding parts as those of the prior art will be omitted.
First, in describing the best mode for carrying out the present invention, the names of each part of the expanded metal will be clarified in advance with reference to FIG. The expanded metal generally has a so-called staggered arrangement of the turtle shell-shaped mesh 22 described above (see FIGS. 9 and 7C) and the diamond-shaped mesh 26 as shown in FIG. 7A. It has a continuous structure. The crossing portion of the mesh is referred to as a bond portion BO, and the portion connecting the mesh bond portions BO is referred to as a strand portion ST. Further, the length of the bond portion BO in the TD direction is referred to as a bond length BOl, and the thickness of the strand portion ST is referred to as a step width (feed width) W. In the figure, the symbol t is the thickness of the material, and the symbol D is the total thickness of the expanded metal. The total thickness D is the thickness of the expanded metal in a state where it is disposed between the cell constituent members. FIG. 7 also shows the FD direction (material feed direction), the TD direction (tool feed direction), and the WD direction (mesh width direction).
As is clear from the names of the respective parts, the turtle shell-shaped mesh 22 has a long mesh shape with a bond length BO1 of the bond portion BO, and the diamond-shaped mesh 26 has a short mesh shape with a bond length BO1 of the bond portion BO. . And since the FD direction cross-sectional shape (AA cross-sectional shape) of the rhombus mesh 26 and the FD cross-sectional shape (A'-A 'cross-sectional view) of the turtle shell-shaped mesh 22 are the same, FIG. The cross-sectional shape of both of them in the FD direction is shown in b).

さて、本発明の実施の形態に係るセル燃料電池は、ガス流路の形成部材としてエキスパンドメタルが用いられており、このエキスパンドメタルは、図１、図２に概略的に示されるような構造的特徴を備えている。すなわち、エキスパンドメタル２８を構成するメッシュが、ガス流路１６のガス流入端ＧＦ−Ｉｎからガス流出端ＧＦ−Ｏｕｔへ向う方向に対し傾斜面をなすように配置され、なおかつ、メッシュのストランド部ＳＴ又はボンド部ＢＯのセパレータ１８の表面に対し鋭角に配置される側の表面と、セパレータ１８の表面との角度が、二種類の傾斜角度θ_１、θ_２から構成されているものである。 In the cell fuel cell according to the embodiment of the present invention, an expanded metal is used as a gas flow path forming member. This expanded metal has a structural structure as schematically shown in FIGS. It has features. That is, the mesh constituting the expanded metal 28 is arranged so as to form an inclined surface with respect to the direction from the gas inflow end GF-In to the gas outflow end GF-Out of the gas flow path 16, and the mesh strand portion ST. Alternatively, the angle between the surface of the bond portion BO that is disposed at an acute angle with respect to the surface of the separator 18 and the surface of the separator 18 is composed of two types of inclination angles θ ₁ and θ ₂ .

そして、二種類の傾斜角度θ_１、θ_２に係るストランド部ＳＴ_１、ＳＴ_２又はボンド部ＢＯ_１、ＢＯ_２の境界線ＢＬが、エキスパンドメタル２８の、全厚Ｄの中間部、換言すれば、セパレータ１８及びセパレータとは反対側に位置するセル構成部材（図示の例ではガス拡散層１４）のいずれとも離間した位置に設けられている。
又、メッシュを構成する二種類の傾斜角度に係るストランド部ＳＴ_１、ＳＴ_２又はボンド部ＢＯ_１、ＢＯ_２の傾斜角度θ_１、θ_２は、セパレータ１８との間又はガス拡散層１４との間に、各々、ガス通路として機能するための空間２４１、２４２が形成され得る範囲、具体的には、０度を超え９０度に満たない範囲に設定されている。
なお、図１、図２の例は、エキスパンドメタル２８の表裏が逆転した状態でガス流路１６Ａに配置された点にのみ違いがある。又、図１、図２の例は、いずれもアノード側のガス流路１６Ａを例示したものであるが、カソード側のガス流路１６Ｃ（図８参照）も、同様の構成とすることが可能である。 Then, two types of tilt angle theta _1, the strand portion _ST 1 according to the theta _2, ST ₂ or bond portion _BO 1, BO ₂ boundary line BL, the expanded metal 28, the intermediate portion of the total thickness D, in other words The separator 18 and the cell constituent member (the gas diffusion layer 14 in the illustrated example) located on the opposite side of the separator are provided at positions separated from each other.
Further, the inclination angles θ ₁ , θ ₂ of the strand portions ST ₁ , ST ₂ or the bond portions BO ₁ , BO ₂ relating to two kinds of inclination angles constituting the mesh are between the separator 18 or the gas diffusion layer 14. In the meantime, it is set in a range where spaces 241 and 242 for functioning as gas passages can be formed, specifically in a range exceeding 0 degree and less than 90 degrees.
The example of FIGS. 1 and 2 is different only in that the expanded metal 28 is disposed in the gas flow path 16A in a state where the front and back sides of the expanded metal 28 are reversed. 1 and 2 both illustrate the anode-side gas flow path 16A, but the cathode-side gas flow path 16C (see FIG. 8) can have the same configuration. It is.

ここで、図３〜図５を参照しながら、本発明の実施の形態に係るエキスパンドメタル２８の製造手順を説明する。以下、エキスパンドメタルが亀甲形のメッシュを有する場合について例示するが、菱形のメッシュを有する場合も同様となる。
エキスパンドメタル２８の製造金型は、図３、図５に示されるダイ３４、パッド３６、下受刃３８及び上刃４０からなる金型を備えている。上刃４０は、ＴＤ方向（ＦＤ方向と直交する方向）にシフトしかつＷＤ方向（上下方向）に昇降するものであり、下受刃３８は、上刃４０のＴＤ方向のシフトに同期して、ＴＤ方向にシフトするものである。又、上刃４０の下面には、台形状の突起４０ａがＴＤ方向に一定間隔を空けて形成され、下受刃３８の上面にも、上刃４０の台形状の突起４０ａと噛合うように一定間隔を空けて、突起３８ａが形成されている。しかも、突起３８ａは、図５に示されるように、ＦＤ方向上流側から下流側に向けて、ＷＤ方向下側へと傾斜する形状に構成されている。 Here, the manufacturing procedure of the expanded metal 28 according to the embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. Hereinafter, the case where the expanded metal has a turtle shell-shaped mesh will be exemplified, but the same applies to the case where the expanded metal has a diamond-shaped mesh.
The mold for manufacturing the expanded metal 28 includes a mold including the die 34, the pad 36, the lower receiving blade 38, and the upper blade 40 shown in FIGS. 3 and 5. The upper blade 40 shifts in the TD direction (direction orthogonal to the FD direction) and moves up and down in the WD direction (vertical direction), and the lower blade 38 synchronizes with the shift of the upper blade 40 in the TD direction. , Shifting in the TD direction. In addition, trapezoidal protrusions 40a are formed on the lower surface of the upper blade 40 at regular intervals in the TD direction, and the upper surface of the lower blade 38 is also engaged with the trapezoidal protrusion 40a of the upper blade 40. Protrusions 38a are formed at regular intervals. In addition, as shown in FIG. 5, the protrusion 38 a is configured to be inclined from the upstream side in the FD direction toward the downstream side in the WD direction.

平板材料４２は、ローラ等を備えた材料送り手段によって、所定の刻み幅Ｗ（図７）で金型へと送り込まれ、この平板材料４２の送り込みのタイミングに合わせて、パッド３６は、平板材料４２が通過可能となるようＷＤ方向に昇降する。そして、ダイ３４とパッド３６により平板材料４２が挟持された状態で、上刃４０が昇降し、上刃４０の台形状の突起４０ａとダイ３４とによって、平板材料４２は一定間隔に部分的にせん断され、下方向に突出する台形状の切り起しが形成される。この際、切り越しは、下受刃３８の突起３８ａに倣うことによりＦＤ方向上流側から下流側に向けて、ＷＤ方向下側へと傾斜するように成形される。 The flat plate material 42 is fed into the mold with a predetermined step width W (FIG. 7) by a material feeding means having a roller or the like, and the pad 36 is flat plate material in accordance with the feeding timing of the flat plate material 42. It moves up and down in the WD direction so that 42 can pass. Then, in a state where the flat plate material 42 is sandwiched between the die 34 and the pad 36, the upper blade 40 moves up and down, and the flat plate material 42 is partially separated at a constant interval by the trapezoidal protrusion 40 a of the upper blade 40 and the die 34. A trapezoidal cut and raised which is sheared and protrudes downward is formed. At this time, the cut-out is shaped so as to incline downward in the WD direction from the upstream side in the FD direction by following the protrusion 38 a of the lower receiving blade 38.

そして、上刃４０の上昇の都度、上刃４０及び下受刃３８がＴＤ方向にシフトすることで、台形状の切起こしが千鳥状に一段づつ成形され、階段状のメッシュが図１、図２に示されるように、二種類の傾斜角度のストランド部ＳＴ_１、ＳＴ_２又はボンド部ＢＯ_１、ＢＯ_２の連続体として構成されたラスカットメタル２８’が成形されるものである。
その後、階段状のメッシュを有するラスカットメタル２８’が、図４に示される圧延ローラ４３によって圧延されることにより、必要な全厚Ｄ（図７（ｂ）参照）のエキスパンドメタル２８が成形される。 Each time the upper blade 40 is raised, the upper blade 40 and the lower receiving blade 38 are shifted in the TD direction so that trapezoidal cuts are formed step by step in a staggered manner, and a stepped mesh is formed in FIGS. As shown in FIG. 2, a lath cut metal 28 ′ configured as a continuous body of strand portions ST ₁ , ST ₂ or bond portions BO ₁ , BO _{2 having} two kinds of inclination angles is formed.
Thereafter, the lath-cut metal 28 ′ having a stepped mesh is rolled by the rolling roller 43 shown in FIG. 4, thereby forming the expanded metal 28 having a necessary full thickness D (see FIG. 7B). .

なお、エキスパンドメタル２８の製造に当たっては、図６に示されるように、上刃４０の下面に形成された突起４０ａが、ＦＤ方向上流側から下流側に向けて、ＷＤ方向下側へと傾斜する形状に構成され、下受刃３８の上面の突起３８ａが、ＦＤ方向に一定の高さとなるように形成されている金型を用いることも可能である。この場合には、図５の金型を用いる場合と表裏が逆転した形状の、エキスパンドメタルを成形することが可能である。 In manufacturing the expanded metal 28, as shown in FIG. 6, the protrusion 40a formed on the lower surface of the upper blade 40 is inclined downward from the upstream side in the FD direction toward the downstream side in the WD direction. It is also possible to use a mold that has a shape and is formed so that the protrusion 38a on the upper surface of the lower receiving blade 38 has a certain height in the FD direction. In this case, it is possible to form an expanded metal having a shape in which the front and back sides are reversed from the case of using the mold of FIG.

上記構成をなす、本発明の実施の形態によれば、次のような作用効果を得ることが可能である。すなわち、図１の例では、θ_１＜θ_２であり、空間２４１の断面積が、空間２４２の断面積よりも小さくなる。よって、セパレータ１８の近傍におけるガス流ＧＦ_１の流量よりも、ガス拡散層１４の近傍におけるガス流ＧＦ_２の流量の方が大流量となる。又、図２の例ではθ_１＞θ_２であることから、空間２４１の断面積が、空間２４２の断面積よりも大きくなり、ガス拡散層１４に接するガス流ＧＦ_２の流量よりも、セパレータ１８に接するガス流ＧＦ_１の流量の方が大流量となる。 According to the embodiment of the present invention configured as described above, the following operational effects can be obtained. That is, in the example of FIG. 1, θ ₁ <θ ₂ and the cross-sectional area of the space 241 is smaller than the cross-sectional area of the space 242. Therefore, than the flow rate of the gas flow GF ₁ in the vicinity of the separator 18, towards the flow rate of the gas flow GF ₂ in the vicinity of the gas diffusion layer 14 becomes large flow rate. Further, in the example of FIG. 2, θ ₁ > θ ₂ , so that the cross-sectional area of the space 241 is larger than the cross-sectional area of the space 242, and the separator is larger than the flow rate of the gas flow GF ₂ in contact with the gas diffusion layer 14. The flow rate of the gas flow GF ₁ in contact with 18 is larger.

よって、図１の例と図２の例との比較においては、エキスパンドメタル２８のメッシュにより、ガス拡散層１４に偏向されるガス流ＧＦの流量は、図１の例の方が多くなり、ＭＥＡ１２の電解質膜の乾燥による、抵抗過電圧の増加を来たすような場合に、その解消策として有効となる。又、図２の例では、ガス拡散層１４に偏向されるガス流ＧＦの流量が少なくなるので、電極において発生する生成水の排水性の低下に起因するガス拡散性の悪化により濃度過電圧の増加、電圧安定性の悪化を来たすような場合に有効な対応策となる。
このように、本発明の実施の形態によれば、ストランド部ＳＴ_１、ＳＴ_２又はボンド部ＢＯ_１、ＢＯ_２に係る二種類の傾斜角度θ_１、θ_２を適宜設定することにより、セパレータ１８に供給されるガス量と、ガス拡散層１４に供給されるガス量とを、適切に調整することができる。 Therefore, in the comparison between the example of FIG. 1 and the example of FIG. 2, the flow rate of the gas flow GF deflected to the gas diffusion layer 14 by the mesh of the expanded metal 28 is larger in the example of FIG. This is effective as a solution when the resistance overvoltage increases due to drying of the electrolyte membrane. Further, in the example of FIG. 2, since the flow rate of the gas flow GF deflected to the gas diffusion layer 14 decreases, the concentration overvoltage increases due to the deterioration of the gas diffusibility due to the reduced drainage of the generated water generated at the electrode. This is an effective countermeasure when voltage stability deteriorates.
As described above, according to the embodiment of the present invention, the separator 18 is appropriately set by setting the two kinds of inclination angles θ ₁ and θ ₂ related to the strand portions ST ₁ and ST ₂ or the bond portions BO ₁ and BO _2. It is possible to appropriately adjust the amount of gas supplied to the gas and the amount of gas supplied to the gas diffusion layer 14.

本発明の実施の形態に係る燃料電池の、エキスパンドメタルを用いたガス流路の断面図である。It is sectional drawing of the gas flow path using the expanded metal of the fuel cell which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施の形態に係る燃料電池の、エキスパンドメタルを用いたガス流路の別例に係る断面図である。It is sectional drawing which concerns on another example of the gas flow path using the expanded metal of the fuel cell which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施の形態に係るエキスパンドメタルの、製造装置を構成する金型を概略的に的に示した斜視図である。It is the perspective view which showed schematically the metal mold | die which comprises the manufacturing apparatus of the expanded metal which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施の形態に係るエキスパンドメタルの、製造装置を構成する圧延ローラを概略的に示した側面図である。It is the side view which showed roughly the rolling roller which comprises the manufacturing apparatus of the expanded metal which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施の形態に係るエキスパンドメタルの、製造装置を構成する金型の模式図である。It is a schematic diagram of the metal mold | die which comprises the manufacturing apparatus of the expanded metal which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施の形態に係るエキスパンドメタルの、製造装置を構成する金型の別例に係る模式図である。It is the schematic diagram which concerns on another example of the metal mold | die which comprises the manufacturing apparatus of the expanded metal which concerns on embodiment of this invention. エキスパンドメタルの各部名称の説明図であり、（ａ）は菱形のメッシュの平面図、（ｂ）はＡ−ＡおよびＡ’−Ａ’線における断面図、（ｃ）は亀甲形のメッシュの平面図である。It is explanatory drawing of each part name of an expanded metal, (a) is a top view of a rhombus mesh, (b) is sectional drawing in AA and A'-A 'line, (c) is a plane of a turtle shell shape mesh FIG. 従来の固体高分子型燃料電池のセル構造の一例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows an example of the cell structure of the conventional polymer electrolyte fuel cell. 図８に示されるセルのガス流路を形成する、亀甲形のメッシュを備えるエキスパンドメタルを、メッシュの刻み幅方向に見た図である。It is the figure which looked at the expanded metal provided with the turtle shell-shaped mesh which forms the gas flow path of the cell shown by FIG. 8 in the step width direction of the mesh. 図９に示されたエキスパンドメタルを用いた、従来のセルのガス流路の断面図である。It is sectional drawing of the gas flow path of the conventional cell using the expanded metal shown by FIG.

Explanation of symbols

１０：セル、１２：ＭＥＡ、１４、１４Ａ、１４Ｃ：ガス拡散層、１６、１６Ａ、１６Ｃ：ガス流路、１８、１８Ａ、１８Ｃ：セパレータ、２２：亀甲形のメッシュ、２４：空間、２８：エキスパンドメタル、３４：ダイ、３６：パッド、３８：下受刃、
３８ａ、４０ａ：台形状の突起、４０：上刃、４２：平板素材、ＳＴ、ＳＴ_１、ＳＴ_２：ストランド部、ＢＯ、ＢＯ_１、ＢＯ_２：ボンド部、 θ_１、θ_２：ストランド部又はボンド部の傾斜角度 10: Cell, 12: MEA, 14, 14A, 14C: Gas diffusion layer, 16, 16A, 16C: Gas flow path, 18, 18A, 18C: Separator, 22: Turtle-shaped mesh, 24: Space, 28: Expand Metal, 34: Die, 36: Pad, 38: Bottom receiving blade,
38a, 40a: trapezoidal projections, 40: upper blade, 42: flat plate material, _ST, ST 1, ST _2: strand portions, _BO, BO 1, BO _2: bondline, theta _1, theta _2: strand portions or Tilt angle of bond part

Claims

A fuel cell having a cell structure in which a gas flow path is formed by expanded metal disposed between cell constituent members including a separator,
The mesh constituting the expanded metal is disposed so as to form an inclined surface with respect to the direction from the gas inflow end to the gas outflow end of the gas flow path, and the surface of the separator in the strand portion or bond portion of the mesh The fuel cell is characterized in that the angle between the surface on the side arranged at an acute angle and the surface of the separator is composed of two types of inclination angles.

2. The fuel cell according to claim 1, wherein a boundary line of two kinds of inclination angles related to the strand part or the bond part is provided in an intermediate part of the full thickness of the expanded metal.

The boundary line of two kinds of inclination angles related to the strand part or the bond part is provided at a position separated from both the separator and the cell constituent member located on the opposite side of the separator. Item 3. The fuel cell according to Item 1 or 2.

Two kinds of inclination angles related to the strand part or the bond part are formed between the mesh and the cell or the cell constituent member located on the opposite side of the separator, so that spaces for functioning as gas passages are formed. The fuel cell according to any one of claims 1 to 3, wherein the fuel cell is set within a range.

The two kinds of inclination angles related to the strand part or the bond part are both set in a range of more than 0 degrees and less than 90 degrees. Fuel cell.