JP2012048825A - Fuel battery, passage member and separator - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池に関し、特に燃料電池内での水分の排出技術に関する。 The present invention relates to a fuel cell, and more particularly to a technique for discharging moisture in the fuel cell.
燃料電池、例えば、固体高分子形燃料電池は、電解質膜を挟んで配置される一対の電極(アノードおよびカソード)にそれぞれ反応ガス(燃料ガスおよび酸化ガス)を供給して電気化学反応を引き起こすことにより、物質の持つ化学エネルギーを電気エネルギーに変換する。 A fuel cell, for example, a polymer electrolyte fuel cell, causes an electrochemical reaction by supplying a reaction gas (a fuel gas and an oxidizing gas) to a pair of electrodes (anode and cathode) arranged with an electrolyte membrane interposed therebetween, respectively. The chemical energy of the substance is converted into electrical energy.
従来、燃料電池において、電解質膜と一対の電極とを含む発電体層とセパレータとの間にメタルラスやエキスパンドメタルを用いて形成されたガス流路層を設けることにより、反応ガスの拡散性を向上させ、燃料電池の発電効率を向上させる技術が知られている(例えば、下記特許文献1)。 Conventionally, in a fuel cell, a gas flow path layer formed using a metal lath or expanded metal is provided between a power generator layer including an electrolyte membrane and a pair of electrodes and a separator, thereby improving reaction gas diffusibility. A technique for improving the power generation efficiency of a fuel cell is known (for example, Patent Document 1 below).
しかしながら、従来の技術では、発電に伴って生成される生成水など、反応ガスに含まれる水分による燃料電池の性能への影響について十分に考慮されておらず、燃料電池の性能に向上の余地があった。かかる問題は、発電体層とセパレータとの間にガス流路層を備える燃料電池一般に共通する問題であった。 However, the conventional technology does not sufficiently consider the influence of the moisture contained in the reaction gas on the performance of the fuel cell, such as generated water generated by power generation, and there is room for improvement in the performance of the fuel cell. there were. Such a problem is a problem common to fuel cells generally including a gas flow path layer between a power generator layer and a separator.
上述の問題の少なくとも一部を考慮し、本発明が解決しようとする課題は、燃料電池内を流通する反応ガスに含まれる水分の排出性を向上させることである。 In consideration of at least a part of the above-mentioned problems, the problem to be solved by the present invention is to improve the discharge of moisture contained in the reaction gas flowing through the fuel cell.
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and can be realized as the following forms or application examples.
[適用例1]燃料電池であって、
電解質膜を備えた発電体層と、
前記発電体層を間に挟んで配置された一対のセパレータと、
前記発電体層と前記一対のセパレータの少なくとも一方との間に配置され、前記発電体層での発電反応に供される反応ガスの流路となるガス流路層であって、前記セパレータ側に凸な凸部と、該セパレータ側に凹な凹部とが第1の方向に沿って交互に並んだ波形断面の波形要素が、前記第1の方向と略直交する第2の方向に沿って複数連設され、1つの前記波形要素における前記凸部の頂面の少なくとも一部が、隣接する前記波形要素における前記凹部の底面の少なくとも一部と一体的な面を形成し、かつ、前記波形要素間に複数の貫通孔が形成されたガス流路層と
を備え、
前記複数の波形要素を構成する複数の前記凸部のうちの少なくとも1つの凸部である特定凸部の頂面の少なくとも一部と前記セパレータとの間に、略前記第2の方向に貫通する間隙が形成された
燃料電池。
Application Example 1 A fuel cell,
A power generation layer provided with an electrolyte membrane;
A pair of separators arranged with the power generation layer interposed therebetween;
A gas flow path layer disposed between the power generation body layer and at least one of the pair of separators and serving as a flow path for a reaction gas to be used for a power generation reaction in the power generation body layer, on the separator side A plurality of corrugated elements having a corrugated cross-section in which convex convex portions and concave portions concave on the separator side are alternately arranged along the first direction are provided along a second direction substantially orthogonal to the first direction. And at least a part of the top surface of the convex part in one of the corrugated elements forms a surface integral with at least a part of the bottom surface of the concave part in the adjacent corrugated element, and the corrugated element A gas flow path layer having a plurality of through holes formed therebetween,
Between at least a part of the top surface of the specific convex portion, which is at least one convex portion of the plurality of convex portions constituting the plurality of waveform elements, and substantially in the second direction. A fuel cell with a gap formed.
かかる構成の燃料電池は、反応ガスの流路となるガス流路層を備えている。このガス流路層は、セパレータ側に凸な凸部と、凹な凹部とが第1の方向に沿って交互に並んだ波形断面の波形要素が、第1の方向と略直交する第2の方向に沿って複数連設され、1つの波形要素における凸部の頂面の少なくとも一部が、隣接する波形要素における凹部の底面の少なくとも一部と一体的な面を形成し、かつ、波形要素間に複数の貫通孔が形成されており、凸部、凹部や貫通孔によって形成される流路を介して略第2の方向に反応ガスを流すことができる。ここで、複数の凸部のうちの少なくとも1つの凸部である特定凸部の頂面の少なくとも一部とセパレータとの間には、略第2の方向に貫通する間隙が形成されているので、当該間隙を介して、反応ガスに含まれる水分、例えば、燃料電池の電気化学反応に伴い生じた生成水を、反応ガスの流れを利用して略第2の方向に流通させることができる。したがって、当該間隙が形成されていない場合と比べて、反応ガスに含まれる水分の燃料電池外部への排出性を向上させることができる。 The fuel cell having such a configuration includes a gas flow path layer that serves as a flow path for the reaction gas. In this gas flow path layer, the corrugated element of the corrugated cross-section in which convex portions convex to the separator side and concave concave portions are alternately arranged along the first direction is a second that is substantially orthogonal to the first direction. A plurality of continuous portions along the direction, wherein at least part of the top surface of the convex portion of one corrugated element forms a surface integral with at least part of the bottom surface of the concave portion of the adjacent corrugated element, and the corrugated element A plurality of through holes are formed therebetween, and the reaction gas can flow in a substantially second direction via a flow path formed by the convex portions, the concave portions, and the through holes. Here, a gap penetrating substantially in the second direction is formed between at least a part of the top surface of the specific convex portion that is at least one of the plurality of convex portions and the separator. Through the gap, moisture contained in the reaction gas, for example, generated water generated by the electrochemical reaction of the fuel cell can be circulated in the second direction by using the flow of the reaction gas. Therefore, compared to the case where the gap is not formed, the discharge property of moisture contained in the reaction gas to the outside of the fuel cell can be improved.
[適用例2]前記間隙の少なくとも1つは、略前記第1の方向にも貫通するように形成された適用例1記載の燃料電池。 Application Example 2 The fuel cell according to Application Example 1, wherein at least one of the gaps is formed so as to penetrate substantially in the first direction.
かかる構成の燃料電池は、特定凸部とセパレータとの間の間隙の少なくとも1つが、略第1の方向にも貫通するように形成されているので、当該間隙を介して、特定凸部の第1の方向の両脇に滞留した水分同士が繋がりやすくなる。その結果、滞留水のサイズが大きくなり、反応ガスの流れを利用して、滞留水を排出しやすくすることができる。 In the fuel cell having such a configuration, at least one of the gaps between the specific convex portion and the separator is formed so as to penetrate substantially in the first direction. Moisture staying on both sides in the direction 1 is easily connected. As a result, the size of the staying water is increased, and the staying water can be easily discharged using the flow of the reaction gas.
[適用例3]適用例1または適用例2記載の燃料電池であって、前記特定凸部の頂面は、前記セパレータと平行な平坦面を備え、前記間隙は、前記セパレータと前記平坦面との間に形成された燃料電池。 Application Example 3 In the fuel cell according to Application Example 1 or Application Example 2, the top surface of the specific convex portion includes a flat surface parallel to the separator, and the gap includes the separator and the flat surface. A fuel cell formed between the two.
かかる構成の燃料電池は、間隙がセパレータと平坦面との間に形成されるので、間隙が形成される領域におけるセパレータと平坦面との間隔を調節すれば、間隙に水膜を形成することが可能となる。間隙に水膜が形成されると、水膜と特定凸部の周辺に滞留した水分とが繋がりやすくなる。その結果、滞留水のサイズが大きくなり、反応ガスの流れを利用して、滞留水を排出しやすくすることができる。 In the fuel cell having such a configuration, the gap is formed between the separator and the flat surface. Therefore, if the distance between the separator and the flat surface in the region where the gap is formed is adjusted, a water film can be formed in the gap. It becomes possible. When the water film is formed in the gap, the water film and the water staying around the specific convex portion are easily connected. As a result, the size of the staying water is increased, and the staying water can be easily discharged using the flow of the reaction gas.
[適用例4]適用例1ないし適用例3のいずれか記載の燃料電池であって、前記ガス流路層と隣接して設けられるセパレータは、前記複数の凸部のうちの少なくとも1つの前記凸部に対応する位置に、前記ガス流路層側に突出した第1の突出部を備え、前記第1の突出部と、該第1の突出部に対応する位置の前記凸部の頂面とが当接し、前記複数の凸部の頂面と、前記第1の突出部が形成されていない領域の前記セパレータとの間に前記間隙が形成された燃料電池。 [Application Example 4] The fuel cell according to any one of Application Examples 1 to 3, wherein the separator provided adjacent to the gas flow path layer includes at least one of the plurality of protrusions. A first protrusion protruding toward the gas flow path layer at a position corresponding to the first flow path, the first protrusion, and a top surface of the protrusion at a position corresponding to the first protrusion. , And the gap is formed between the top surfaces of the plurality of convex portions and the separator in a region where the first protrusions are not formed.
かかる構成の燃料電池は、セパレータの第1と突出部と、第1の突出部に対応する位置のガス流路層の凸部の頂面とが当接し、凸部と第1の突出部が形成されていない領域のセパレータとの間に間隙が形成される。このような構成とすれば、間隙を好適に形成することができる。しかも、比較的単純な形状のセパレータの所定位置に第1の突出部を設けるだけで、間隙を形成することができ、燃料電池の製造が容易となる。 In the fuel cell having such a configuration, the first and projecting portions of the separator are in contact with the top surface of the projecting portion of the gas flow path layer at a position corresponding to the first projecting portion, and the projecting portion and the first projecting portion are A gap is formed between the separator in a region that is not formed. With such a configuration, the gap can be suitably formed. Moreover, the gap can be formed simply by providing the first protrusion at a predetermined position of the separator having a relatively simple shape, and the manufacture of the fuel cell is facilitated.
[適用例5]適用例1ないし適用例3のいずれか記載の燃料電池であって、前記複数の凸部のうちの少なくとも1つの前記凸部の頂面には、他の凸部の頂面よりも前記セパレータ側に突出した第2の突出部が形成され、前記第2の突出部と、前記セパレータとが当接し、前記複数の凸部のうちの前記第2の突出部が形成されていない領域と、前記セパレータとの間に前記間隙が形成された燃料電池。 [Application Example 5] The fuel cell according to any one of Application Example 1 to Application Example 3, wherein a top surface of at least one of the plurality of convex portions is provided on a top surface of another convex portion. A second protrusion that protrudes more toward the separator than the second protrusion, the second protrusion and the separator are in contact with each other, and the second protrusion of the plurality of protrusions is formed. A fuel cell in which the gap is formed between a non-existing region and the separator.
かかる構成の燃料電池は、少なくとも1つの凸部の頂面に形成された第2の突出部と、セパレータとが当接し、複数の凸部のうちの第2の突出部が形成されていない領域と、セパレータとの間に間隙が形成される。このような構成とすれば、間隙を好適に形成することができる。 In the fuel cell having such a configuration, the second protrusion formed on the top surface of at least one protrusion and the separator are in contact with each other, and the second protrusion of the plurality of protrusions is not formed. And a gap is formed between the separator and the separator. With such a configuration, the gap can be suitably formed.
[適用例6]適用例1ないし適用例3のいずれか記載の燃料電池であって、前記凸部は、該凸部の頂部の凸方向の高さが相対的に高い第1の凸部と、相対的に低い前記特定凸部としての第2の凸部とを含み、前記第1の凸部の頂部と前記セパレータとが当接し、少なくとも前記第2の凸部の頂部と前記セパレータとの間に前記間隙が形成された燃料電池。 [Application Example 6] The fuel cell according to any one of Application Example 1 to Application Example 3, wherein the convex portion includes a first convex portion having a relatively high height in a convex direction of a top portion of the convex portion. A relatively low second convex portion as the specific convex portion, the top portion of the first convex portion and the separator abut, and at least the top portion of the second convex portion and the separator A fuel cell having the gap formed therebetween.
かかる構成の燃料電池は、凸部の高さが相対的に高い第1の凸部の頂部とセパレータとが当接し、凸部の高さが相対的に低い第2の凸部の頂部とセパレータとの間に間隙が形成される。このような構成とすれば、間隙を好適に形成することができる。しかも、セパレータとガス流路層との積層時に厳密な位置決めを行わなくても、間隙を形成することができ、燃料電池の製造が容易となる。 In the fuel cell having such a configuration, the top part of the first convex part having a relatively high height is in contact with the separator, and the top part of the second convex part having a relatively low height and the separator. A gap is formed between the two. With such a configuration, the gap can be suitably formed. Moreover, the gap can be formed without strict positioning when laminating the separator and the gas flow path layer, and the fuel cell can be easily manufactured.
[適用例7]適用例1記載の燃料電池であって、前記複数の凸部の頂面の各々は、前記セパレータと平行な平坦面を備え、前記平坦面は、該平坦面から前記セパレータ側に突出し、該セパレータと当接する第3の突出部が形成された第1の平坦面と、該第3の突出部を備えない第2の平坦面とを含み、前記間隙は、前記セパレータと前記第3の突出部が形成された領域を除く前記第1の平坦面との間に形成され、少なくとも前記略第2の方向に貫通する第1の間隙と、該セパレータと前記第2の平坦面との間に形成され、略前記第1の方向および前記略第2の方向に貫通する第2の間隙とを含む燃料電池。 [Application Example 7] In the fuel cell according to Application Example 1, each of the top surfaces of the plurality of convex portions includes a flat surface parallel to the separator, and the flat surface extends from the flat surface to the separator side. A first flat surface formed with a third protrusion that contacts the separator, and a second flat surface that does not include the third protrusion, and the gap includes the separator and the A first gap formed between the first flat surface excluding a region where the third protrusion is formed and penetrating at least in the substantially second direction; the separator and the second flat surface; And a second gap extending substantially in the first direction and substantially in the second direction.
かかる構成の燃料電池は、複数の凸部の頂面の各々がセパレータと平行な平坦面を備え、当該平坦面の各々のうちの一部の平坦面に部分的に形成された第3の突出部とセパレータとが当接するので、全ての凸部の各々とセパレータとの間に略第2の方向に貫通する間隙が形成される。したがって、一部の凸部とセパレータとの間に間隙が形成された場合と比べて、反応ガスに含まれる水分を反応ガスの流れを利用して略第2の方向に流通させる効果を大幅に向上させることができる。しかも、間隙がセパレータと第1または第2の平坦面との間に形成されるので、間隙におけるセパレータと第1および第2の平坦面との間隔を調節すれば、間隙に水膜を形成することができる。したがって、水膜と凸部の周辺に滞留した水分とが、より繋がりやすくなる。その結果、滞留水のサイズが大きくなり、反応ガスの流れを利用して、滞留水を排出しやすくすることができる。さらに、少なくとも第2の間隙は、略第1の方向にも貫通するので、凸部の第1の方向の両脇に滞留した水分同士が第2の間隙を介して繋がりやすくなる。その結果、滞留水のサイズが大きくなり、反応ガスの流れを利用して、滞留水を排出しやすくすることができる。 In the fuel cell having such a configuration, each of the top surfaces of the plurality of convex portions includes a flat surface parallel to the separator, and a third protrusion partially formed on a part of the flat surfaces. Since the part and the separator are in contact with each other, a gap penetrating in the substantially second direction is formed between each of the convex parts and the separator. Therefore, compared with the case where a gap is formed between some of the convex portions and the separator, the effect of circulating the moisture contained in the reaction gas in the substantially second direction using the flow of the reaction gas is greatly increased. Can be improved. In addition, since the gap is formed between the separator and the first or second flat surface, a water film is formed in the gap by adjusting the distance between the separator and the first and second flat surfaces in the gap. be able to. Therefore, the water film and the water staying around the convex portion are more easily connected. As a result, the size of the staying water is increased, and the staying water can be easily discharged using the flow of the reaction gas. Furthermore, since at least the second gap also penetrates substantially in the first direction, the moisture staying on both sides of the convex portion in the first direction is easily connected via the second gap. As a result, the size of the staying water is increased, and the staying water can be easily discharged using the flow of the reaction gas.
[適用例8]前記間隙は、前記略第2の方向に隣接して並んだ複数の前記凸部の各々と、前記セパレータとの間で、該略第2の方向に並んで形成された適用例1ないし適用例7のいずれか記載の燃料電池。 [Application Example 8] Application in which the gap is formed side by side in the substantially second direction between each of the plurality of convex portions arranged adjacent to each other in the substantially second direction and the separator. The fuel cell according to any one of Examples 1 to 7.
かかる構成の燃料電池は、各々の間隙が略第2の方向に並んで形成されるので、各々の間隙を含んだ経路で、反応ガスの流れ方向、すなわち、反応ガスに含まれる水分の排出方向に向かって水の流れ路が形成されやすく、反応ガスに含まれる水分の排出性を向上させることができる。凸部の頂面に平坦面を備え、間隙が平坦面とセパレータとの間に形成される場合には、間隙に水膜を形成することができるので、間隙が並ぶライン上に連続した水の流れが形成されやすくなり、水分の排出性をさらに向上させることができる。 In the fuel cell having such a configuration, the gaps are formed side by side in a substantially second direction, and therefore, in the path including the gaps, the flow direction of the reaction gas, that is, the discharge direction of moisture contained in the reaction gas. As a result, a water flow path is easily formed, and the discharge of moisture contained in the reaction gas can be improved. When the top surface of the convex portion is provided with a flat surface and the gap is formed between the flat surface and the separator, a water film can be formed in the gap. It becomes easy to form a flow, and it is possible to further improve the drainage of moisture.
[適用例9]前記複数連設される波形要素は、前記1つの波形要素における凸部の頂面の一部のみと、前記隣接する波形要素における凹部の底面の一部のみとが一体的な面を形成した適用例1ないし適用例8のいずれか記載の燃料電池。 [Application Example 9] In the plurality of wave elements to be continuously provided, only a part of the top surface of the convex part in the one wave element is integrated with only a part of the bottom surface of the concave part in the adjacent wave element. 9. The fuel cell according to any one of application examples 1 to 8, wherein a surface is formed.
かかる構成の燃料電池は、凸部の頂面の一部のみと、凹部の底面の一部のみとが一体的な面を形成するので、1つの凹部と、これに隣接する凹部とによって形成される流路は、セパレータ上において二次元的な経路で連通可能となる。つまり、略第2の方向に向かって、セパレータ上を平面的に連通する流路を形成すことができる。この平面的な連通流路は、連続した水の流れを形成しやすいので、滞留水を排出しやすくすることができる。特に、凸部の頂面に平坦面を備え、平坦面とセパレータとの間に形成された間隙に水膜が形成され、当該間隙が略第1の方向にも貫通する場合には、当該間隙を介して隣り合う平面的な連通流路の水同士が間隙に形成された水膜を介して繋がりやすくなるので、平面的な連通流路に滞留水が存在する場合でも、当該滞留水を取り込んで、連続した水の流れが極めて形成されやすくなり、水の排出性が向上する。しかも、水の滞留を抑制することで反応ガスの流通性も向上し、生成水をセパレータ側に移動させやすくなる。このように、連続した水の流れが形成されると、生成水がセパレータ側に導かれ、生成された水が生成された分だけ燃料電池の外部に速やかに排出されるので、燃料電池内部に水が滞留することを効果的に抑制することができる。 In the fuel cell having such a configuration, only a part of the top surface of the convex part and only a part of the bottom surface of the concave part form an integral surface, so that the fuel cell is formed by one concave part and the concave part adjacent thereto. The flow path can be communicated with the two-dimensional path on the separator. That is, it is possible to form a flow path that communicates in a planar manner on the separator in a substantially second direction. Since this planar communication channel is easy to form a continuous water flow, it is possible to easily discharge the accumulated water. In particular, when the top surface of the convex portion is provided with a flat surface, a water film is formed in the gap formed between the flat surface and the separator, and the gap penetrates substantially in the first direction, the gap Since the water in the planar communication channel adjacent to each other is easily connected through a water film formed in the gap, even if the accumulated water exists in the planar communication channel, the retained water is taken in. Thus, a continuous water flow is very easily formed, and water discharge performance is improved. In addition, by suppressing the retention of water, the flowability of the reaction gas is improved, and the generated water can be easily moved to the separator side. In this way, when a continuous water flow is formed, the generated water is guided to the separator side, and the generated water is promptly discharged to the outside of the fuel cell by the amount generated, so that the inside of the fuel cell The retention of water can be effectively suppressed.
[適用例10]前記略第2の方向に隣接して並んだ複数の前記凹部は、第1の方向に並んだ複数の前記凹部からなる第1の凹部群と、第1の方向とは異なる第2の方向に並んだ複数に前記凹部からなる第2の凹部群とで構成される適用例9記載の燃料電池。 Application Example 10 The plurality of recesses arranged adjacent to each other in the substantially second direction are different from the first direction of the first recess group including the plurality of recesses arranged in the first direction. The fuel cell according to application example 9 including a plurality of second recess groups each including the recesses arranged in the second direction.
かかる構成の燃料電池は、略第2の方向に並んだ凹部によって形成される平面的に連通する流路を蛇行させることができる。したがって、滞留水の排出性に加えて、反応ガスの拡散性も向上させることができる。 The fuel cell having such a configuration can meander a flow path communicating in a plane formed by recesses arranged substantially in the second direction. Therefore, in addition to the drainage of stagnant water, the diffusibility of the reaction gas can be improved.
[適用例11]前記凸部の頂部の前記発電体層側には、該頂部の一部が、前記平坦面を備えた前記頂面の前記セパレータ側の外縁まで切り欠かれた切欠部が形成された適用例3または適用例7記載の燃料電池。 Application Example 11 A notch portion in which a part of the top portion is notched to an outer edge on the separator side of the top surface having the flat surface is formed on the power generator layer side of the top portion of the convex portion. The fuel cell according to Application Example 3 or Application Example 7.
かかる構成の燃料電池は、凸部の頂部の発電体層側が、平坦面を備えた凸部の頂面のセパレータ側の外縁まで切り欠かれているので、平坦面の発電体層側に水が滞留した場合、当該滞留水がセパレータ表面の滞留水と接触して、セパレータ表面側に移行することを促進することができる。したがって、滞留水の排出性を向上させることができる。しかも、滞留水をセパレータ表面に導いて排出させることで、平坦面の発電体層側に滞留する滞留水の滞留状況のばらつきが生じてガス圧損がばらつくことを抑制することができる。その結果、反応ガスの供給および排出を発電体層の面方向に均一化することができ、発電効率を向上させることができる。 In the fuel cell having such a configuration, the power generator layer side at the top of the convex portion is cut out to the outer edge on the separator side of the top surface of the convex portion having a flat surface. When it stagnates, it can promote that the said stagnant water contacts the stagnant water on the separator surface, and transfers to the separator surface side. Accordingly, it is possible to improve the drainage of the staying water. Moreover, by guiding the accumulated water to the separator surface and discharging it, it is possible to suppress the variation in the accumulated state of the accumulated water accumulated on the flat power generator layer side and the gas pressure loss from being varied. As a result, the supply and discharge of the reaction gas can be made uniform in the surface direction of the power generation layer, and the power generation efficiency can be improved.
[適用例12]前記切欠部は、前記平坦面の前記発電体層側から前記セパレータ側に貫通して切り欠かれた形状を有する適用例11記載の燃料電池。 [Application Example 12] The fuel cell according to Application Example 11, wherein the cut-out portion has a shape that is cut through the flat surface from the power generator layer side to the separator side.
かかる構成の燃料電池は、切欠部がセパレータ側に貫通しているので、平坦面の発電体層側に滞留する滞留水がセパレータの表面の滞留水と極めて接触しやすくなる。したがって、適用例11の効果をさらに高めることができる。 In the fuel cell having such a configuration, since the cutout portion penetrates to the separator side, the staying water staying on the flat power generator layer side is very likely to come into contact with the staying water on the separator surface. Therefore, the effect of application example 11 can be further enhanced.
また、本発明は、適用例13の流路部材、適用例14、15のセパレータとしても実現することができる。
[適用例13]燃料電池の発電反応に係るガスの流路を形成する流路部材であって、所定の方向に凸な凸部と、該所定の方向に凹な凹部とが第1の方向に沿って交互に並んだ波形断面の波形要素が、前記第1の方向と略直交する第2の方向に沿って複数連設され、1つの前記波形要素における前記凸部の頂面の少なくとも一部が、隣接する前記波形要素における前記凹部の底面の少なくとも一部と一体的な面を形成し、かつ、前記波形要素間に複数の貫通孔が形成され、前記複数の波形要素を構成する複数の前記凸部のうちの少なくとも1つの凸部の頂部の凸方向の高さは、該複数の凸部のうちの他の凸部の頂部の該凸方向の高さと異なる流路部材。
The present invention can also be realized as the flow path member of Application Example 13 and the separators of Application Examples 14 and 15.
Application Example 13 A flow path member that forms a gas flow path related to a power generation reaction of a fuel cell, wherein a convex portion that is convex in a predetermined direction and a concave portion that is concave in the predetermined direction are the first direction. A plurality of corrugated elements having corrugated cross-sections arranged alternately along the second direction are provided along a second direction substantially orthogonal to the first direction, and at least one of the top surfaces of the convex portions of the one corrugated element. The plurality of portions form a surface integral with at least a part of the bottom surface of the concave portion in the adjacent corrugated element, and a plurality of through-holes are formed between the corrugated elements to constitute the plural corrugated elements The height in the convex direction of the top portion of at least one convex portion of the convex portions of the plurality of convex portions is different from the height in the convex direction of the top portion of the other convex portions of the plurality of convex portions.
[適用例14]燃料電池に用いるセパレータであって、前記燃料電池は、電解質膜を備えた発電体層と、前記発電体層を間に挟んで配置された一対の前記セパレータと、前記発電体層と前記一対のセパレータの少なくとも一方との間に配置され、前記発電体層での発電反応に供される反応ガスの流路となるガス流路層であって、前記セパレータ側に凸な凸部と、該セパレータ側に凹な凹部とが第1の方向に沿って交互に並んだ波形断面の波形要素が、前記第1の方向と略直交する第2の方向に沿って複数連設され、1つの前記波形要素における前記凸部の頂面の少なくとも一部が、隣接する前記波形要素における前記凹部の底面の少なくとも一部と一体的な面を形成し、かつ、前記波形要素間に複数の貫通孔が形成されたガス流路層とを備え、前記複数の凸部のうちの少なくとも1つの前記凸部に対応する位置に、該ガス流路層側に突出した突出部を備えたセパレータ。
[適用例15]燃料電池に用いるセパレータであって、前記燃料電池の他の部材との積層面は、略平坦な平坦部と、該平坦部よりも該積層面と交わる方向に突出し、該積層面に点在する突出部とを備えたセパレータ。
Application Example 14 A separator for use in a fuel cell, wherein the fuel cell includes a power generation layer provided with an electrolyte membrane, a pair of separators disposed with the power generation layer interposed therebetween, and the power generation unit A gas flow path layer disposed between the layer and at least one of the pair of separators and serving as a flow path for a reaction gas supplied to the power generation reaction in the power generation body layer, and having a convexity protruding toward the separator side And a plurality of corrugated elements having a corrugated cross section in which concave portions recessed on the separator side are arranged along the first direction are continuously provided along a second direction substantially orthogonal to the first direction. At least a part of the top surface of the convex portion in one corrugated element forms a surface integral with at least a part of the bottom surface of the concave portion in the adjacent corrugated element, and a plurality of the corrugated elements are arranged between the corrugated elements. Gas passage layer with through holes formed therein At least one position corresponding to the convex portion, the separator having a protrusion protruding into the gas flow path layer side of the plurality of protrusions.
Application Example 15 A separator used in a fuel cell, wherein a stack surface with the other members of the fuel cell protrudes in a direction that intersects the stack surface from the flat portion, and a flat portion that is substantially flat. The separator provided with the protrusion part scattered on the surface.
A.第1実施例:
A−1.燃料電池の概略構成:
本発明の実施例としての燃料電池スタック100の概略構成を図1に示す。燃料電池スタック100は、固体高分子形の燃料電池20を複数積層し、その両端にターミナルおよびインシュレータ(図示省略)を配置して、これをエンドプレート95,96で挟持して構成される。この燃料電池スタック100では、燃料ガスとしての水素ガスおよび酸化ガスとしての空気が水素供給マニホールド95a、空気供給マニホールド95bから燃料電池20に供給され、その排ガスが水素排出マニホールド95cおよび空気排出マニホールド95dから排出される。また、冷却水が冷却水供給マニホールド95eから燃料電池20に供給され、その排水が冷却水排出マニホールド95fから排出される。
A. First embodiment:
A-1. Schematic configuration of fuel cell:
A schematic configuration of a
燃料電池20は、発電体層35の両面に、ガス流路層40,60、セパレータ70,80が積層されて構成される。発電体層35は、電解質膜・電極接合体としてのMEA(Membrane Electrode Assembly)34の両面にガス拡散層33a、33bが接合されて構成される。MEA34は、電解質膜31の表面上に、カソード電極32aとアノード電極32bとを備える。電解質膜31は、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を示す固体高分子材料の薄膜である。本実施例では、電解質膜31には、ナフィオン(登録商標)を用いた。カソード電極32aおよびアノード電極32bは、導電性を有する担体上に触媒を担持させた電極であり、本実施例においては、白金触媒を担持したカーボン粒子と、電解質膜31を構成する高分子電解質と同質の電解質とを備えている。
The
ガス拡散層33a,33bは、ガス透過性を有する導電性部材、例えば、カーボンペーパやカーボンクロス、あるいは金属メッシュや発泡金属によって形成することができる。本実施例においては、ガス拡散層33a,33bは、カーボンペーパを用いた。ガス拡散層33a,33bは、酸化ガスまたは燃料ガスを拡散して、カソード電極32aまたはアノード電極32bの全面に供給する。ガス拡散層33a,33bは、後述するガス流路層40,60と比べて小さい気孔率を有しており、ガス拡散機能の他に、集電機能や、MEA34の保護機能も担っている。なお、このガス拡散層33aおよび33bには、MEA34の水分量を調節する機能などを持たせてもよい。
The gas diffusion layers 33a and 33b can be formed of a conductive member having gas permeability, such as carbon paper or carbon cloth, a metal mesh, or a foam metal. In this embodiment, carbon paper is used for the gas diffusion layers 33a and 33b. The gas diffusion layers 33a and 33b diffuse the oxidizing gas or the fuel gas and supply it to the entire surface of the
かかる発電体層35は、その外周に配されたシールガスケット36と一体形成される。シールガスケット36には、水素供給マニホールド30a、空気供給マニホールド30b、水素排出マニホールド30c、空気排出マニホールド30d、冷却水供給マニホールド30e、冷却水排出マニホールド30fを備えている。また、シールガスケット36には、厚み方向に、各マニホールドと発電体層35の外周部とをそれぞれ囲む凸状の部位が形成されており、当該部位は、シールガスケット36の両側に積層されるセパレータ70,80と当接し、マニホールド内や発電体層35内からの流体(燃料ガス、酸化ガス、冷却水)の漏れを抑制するシールとして機能する。
The
ガス流路層40,60は、多数の貫通孔が形成された部材であり、本実施例ではメタルラスを用いた。ガス流路層40は、発電体層35のアノード電極32b側とセパレータ70との間に配設され、セパレータ70を介して供給された燃料ガス(ここでは水素ガス)を、MEA34の電極面の側方の一方の側から他方の側に向けた流れで流しつつ、燃料ガスを発電体層35のアノード電極32b側に供給する。同様に、ガス流路層60は、酸化ガス(ここでは空気)を発電体層35のカソード電極32a側に供給する。かかるガス流路層40、60は、耐食性と導電性とを有する金属、例えば、ステンレス鋼やチタン、チタン合金などによって形成されるが、本実施例では、ステンレス鋼を用いた。ガス流路層40,60の詳細な構造については後述する。なお、本実施例では、発電体層35の両面にガス流路層40,60を備える構成としたが、発電体層35の片面のみに備える構成としてもよい。
The gas flow path layers 40 and 60 are members in which a large number of through holes are formed, and a metal lath is used in this embodiment. The gas
セパレータ70,80は、反応ガスの隔壁として機能する部材であり、同一の構成を有している。以下、セパレータ70について説明する。セパレータ70は、ガス不透過な導電性部材、例えば圧縮カーボンやステンレス鋼から成る部材によって形成される。本実施例では、ステンレス鋼を用いた。セパレータ70は、カソード電極32a側に設けられる平坦なカソード側セパレータ71と、アノード電極32b側に設けられる平坦なアノード側セパレータ73と、それらの間に配置される中間セパレータ72とが一体となって構成される。カソード側セパレータ71は、水素供給マニホールド71a、空気供給マニホールド71b、水素排出マニホールド71c、空気排出マニホールド71d、冷却水供給マニホールド71e、冷却水排出マニホールド71f、空気連通孔75,76を備えている。空気供給マニホールド71bに供給された空気は、中間セパレータ72の空気連通孔72bおよび空気連通孔75を介して、カソード側セパレータ71に面して設けられる他の燃料電池20のガス流路層60(図示省略)に導かれる。また、その排ガスは、空気連通孔76および中間セパレータ72の連通孔(図示省略)を介して、空気排出マニホールド71dに排出される。
同様に、水素供給マニホールド71aに供給された水素は、中間セパレータ72の水素連通孔72aおよびアノード側セパレータ73の連通孔(図示省略)を介して、ガス流路層40に導かれ、ガス流路層40を流れた後、中間セパレータ72およびアノード側セパレータ73の連通孔(図示せず)を介して、水素排出マニホールド71cに排出される。また、中間セパレータ72には、略長方形外形の長辺方向に沿って複数の切欠が形成され、その切欠の両端はそれぞれ、冷却水排出マニホールド71fおよび冷却水供給マニホールド71eと連通している。なお、セパレータ70は、上述した3層構造のものに限るものではない。例えば、カソード側セパレータ71とアノード側セパレータ73との2層構造とし、中間セパレータ72に形成される連通孔に相当する形状をカソード側セパレータ71および/またはアノード側セパレータ73の内側に形成してもよい。
Similarly, the hydrogen supplied to the
A−2.ガス流路層40,60の構造:
上述した燃料電池20を構成するガス流路層40,60の構造について説明する。本実施例においては、ガス流路層40とガス流路層60とは同一の構造を有しているので、以下では、ガス流路層40の構造として説明する。ガス流路層40の概略構造を図2に示す。図2において、ガス流路層40の上方は、燃料電池20におけるセパレータ70側であり、下方は発電体層35側である。図示するように、ガス流路層40は、所定の方向(セパレータ70側)に凸な凸部41と、当該所定の方向に凹な凹部42とが第1の方向D1に沿って交互に並んだ波形断面を有する波形要素WSEを複数備えている。本実施例においては、凸部41と凹部42とは、同一周期で並んでいる。この複数の波形要素WSEは、第1の方向D1と概ね直交する第2の方向D2に沿って、一定の勾配をもって連設されている。かかる複数の波形要素WSEは、1つの波形要素WSEにおける凸部41の頂面43の一部と、当該波形要素WSEに隣接する波形要素WSEにおける凹部42の底面44の一部とが、一体的な面を形成するように構成されている。なお、図2では、頂面43および底面44の1つをハッチングで表示している。さらに、複数の波形要素WSE間には、複数の貫通孔THが形成されている。
A-2. Structure of gas flow path layers 40 and 60:
The structure of the gas flow path layers 40 and 60 constituting the
かかる波形要素WSEを構成する凸部41は、第1の凸部41aと第2の凸部41bとを含んでいる。第1の凸部41aは、その頂面43に、セパレータ70の積層面と平行な第1の平坦面43aと、平坦面43aからセパレータ70側に突出した突出部43bとを備えている。突出部43bは、第1の平坦面43aを第2の方向D2に沿って横断するように形成されている。この突出部43bの頂部は、ガス流路層40とセパレータ70とを積層した際に、セパレータ70の積層面に当接する。なお、本実施例では、突出部43bの頂部は、概ね線でセパレータ70と当接するように形成されているが、面で当接する形状に形成されてもよい。突出部43bは、請求項の第2の突出部および第3の突出部に該当する。第2の凸部41bは、その頂面43に、セパレータ70の積層面と平行な第2の平坦面43cを備えている。この第2の凸部41bは、突出部43bのような突出形状は備えていない。第2の平坦面43cの凸方向の高さは、第1の平坦面43aの凸方向の高さと同一となるように形成されている。かかる第1の凸部41aと第2の凸部41bとは、本実施例では、第1の方向D1に沿って交互に並んで配置されている。なお、図2では、平坦面43a,43cを拡大して示しており、実際の相対的寸法とは、一致しない。また、突出部43bの個数や配置は、上述した形態に限られるものではなく、セパレータ70と当接する面積を考慮して、セパレータ70との接触抵抗を所望の程度以下に抑えられる範囲で適宜設定すればよい。例えば、セパレータ70との接触抵抗に問題がなければ、突出部43bは、第2の方向D2に並ぶ複数の凸部41のうちで、2つおきの凸部41に設けてもよいし、第1の方向D1に並ぶ複数の凸部41のうちで、3つおきの凸部41に設けてもよい。
The
また、上述の通り、複数の波形要素WSEは、1つの波形要素WSEにおける凸部41の頂面43の一部と、当該波形要素WSEに隣接する波形要素WSEにおける凹部42の底面44の一部とが、一体的な面を形成するように構成されている。かかる構成によって、1つの凹部42と、これに概ね第2の方向D2で隣接する凹部42とは、ガス流路層40とセパレータ70とが積層された際に、セパレータ70のガス流路層40側の面に沿った二次元的な経路で連通可能となる。かかる凹部42が概ね第2の方向D2に連続して形成されることによって、概ね第2の方向D2に沿って酸化ガスを流通させる主な流路としての流路CH1が形成される。
In addition, as described above, the plurality of waveform elements WSE includes a part of the
本実施例においては、この流路CH1を形成する凹部42は、2つの方向に並んだ凹部42の集合体である凹部42群で構成される。具体的には、凹部42は、所定の方向に所定数だけ並んで配列された第1の凹部群と、第1の凹部群とは異なる方向に所定数だけ並んで配列された第2の凹部群とが繰り返される配置で形成されている。かかる構成によって、流路CH1は、概ね第2の方向D2に沿いつつ、蛇行する流路として形成されている。また、第1の方向D1に沿って交互に並んで配置される第1の凸部41aおよび第2の凸部41bは、第1の方向D1の方向に沿って2つの凹部42の間に配置されているから、概ね第2の方向D2に沿って流路CH1と同様の蛇行形状を備えている。なお、凹部42が並ぶ方向は、相互に異なる2つの方向に限らず、3以上の方向であってもよい。こうしても、流路CH1を蛇行させることができる。ただし、流路CH1を蛇行させる構成は必須ではなく、凹部42が1つの方向のみに並ぶ構成であってもよい。
In the present embodiment, the
かかるガス流路層40においては、各々の凹部42の発電体層35側の面には、発電体層35と平行な平坦面を備えている(図示省略)。この平坦面は、第2の平坦面43cと略同一のサイズで形成されている。
In the gas
A−3.ガス流路層40,60とセパレータ70,80との積層態様:
燃料電池20におけるガス流路層40,60とセパレータ70,80との積層態様について説明する。本実施例においては、ガス流路層40とガス流路層60、セパレータ70とセパレータ80とは、それぞれ同一の構成を有しているので、以下では、ガス流路層40とセパレータ70との積層態様として説明する。ガス流路層40を構成する波形要素WSEの波形断面を図3に示す。図示するように、波形要素WSEは、第1の凸部41a,凹部42,第2の凸部41b、凹部42を1つの単位として繰り返した凹凸形状を備えている。また、第1の凸部41aの頂部の凸方向の高さ、すなわち、第1の凸部41aが備える突出部43bの頂部の高さと、第2の凸部41bの第2の平坦面43cの凸方向の高さとは、突出部43bの高さに相当するΔHの差が確保されている。ガス流路層40とセパレータ70とを積層した際には、突出部43bの頂部は、セパレータ70に当接するので、第2の平坦面43cとセパレータ70との間には、高さがΔHの間隙G1が生じることとなる。同様に、第1の平坦面43aとセパレータ70との間には、突出部43bの両脇に高さがΔHの間隙G2,G3が生じることとなる。間隙G1は、請求項の第2の間隙、間隙G2,G3は、請求項の第1の間隙に該当する。
A-3. Lamination mode of gas flow path layers 40, 60 and
A stacking mode of the gas flow path layers 40 and 60 and the
このΔHは、適宜設定すればよいが、本実施例では、ガス流路層40とセパレータ70とを積層した際に、ガス流路層40によって形成される流路を流通する酸化ガスに含まれる水分によって、間隙G1〜G3に水膜が形成可能となる程度の厚みとしている。水膜が形成可能となる厚みとしては、例えば、20〜50μm程度とすることができる。
This ΔH may be set as appropriate. In this embodiment, ΔH is included in the oxidizing gas flowing through the flow path formed by the gas
ガス流路層40とセパレータ70との積層態様をより明確にするために、ガス流路層40とセパレータ70とを積層した際の、ガス流路層40の側面視図の一部を図4に示す。図4では、2つの第1の凸部41aと1つの第2の凸部41bとを含む部位のガス流路層40の側面視を示している。図示するように、ガス流路層40の側面視においては、ガス流路層40の突出部43bの頂部とセパレータ70とは当接し、突出部43bとセパレータ70との間に間隙は形成されていない。一方、第2の平坦面43cとセパレータ70との間には、間隙G1が形成されている。この間隙G1によって、第2の凸部41bの第1の方向D1の両脇に形成された流路CH1同士が連通する。
In order to clarify the stacking mode of the
A−4.ガス流路層40の製造方法:
上述したガス流路層40,60は、例えば、以下のようにして製造することができる。以下、ガス流路層40の製造方法として説明する。ガス流路層40の製造においては、まず、板状の基材150を用意し、図5に示すラスカット加工装置200を用いて、メタルラス160を得る。このラスカット加工装置200は、ローラ210,220と下刃230と上刃240とを備えており、ローラ210,ローラ220で基材150を所定ピッチで送りつつ、下刃230と上刃240とでプレス加工を行うことで、基材150が貫通孔THを備えたメタルラス160に加工される。
A-4. Manufacturing method of gas flow path layer 40:
The gas flow path layers 40 and 60 described above can be manufactured as follows, for example. Hereinafter, the manufacturing method of the gas
この工程について、以下に具体的に説明する。下刃230は、図6に示すように、基材150の送り方向側の側壁に、所定のピッチで交互に配列された凸部231と凹部232とを備えている。また、下刃230は、凹部232の基材送り方向と反対側の上端縁に剪断刃233を備えている。かかる下刃230は、図示しないアクチュエータによって、左右方向(凸部231と凹部232とが並ぶ方向)に往復動可能に構成されている。上刃240は、図6に示すように、下刃230側の端部に、所定のピッチで交互に配列された凸部241と凹部242とを備えている。また、上刃240は、凸部241の基材送り方向と反対側の下端縁に剪断刃243を備えている。かかる上刃240は、図示しないアクチュエータによって、上下方向(基材送り方向および左右方向に直交する方向)および左右方向に往復動可能に構成されている。下刃230の凹部232,凸部231と、上刃240の凸部241,凹部242とは、上刃240を下刃230側に移動させることによって、それぞれ噛み合わされる。このとき、下刃230の剪断刃233と上刃240の剪断刃243との間で、基材150に切れ目を入れることができる。
This process will be specifically described below. As shown in FIG. 6, the
かかる下刃230および上刃240を備えたラスカット加工装置200に基材150をセットし、基材150を、その端部が下刃230と上刃240との間に位置するまで移動させて、上刃240を下刃230と噛み合う位置まで下方に移動させると、基材150の端部に凹凸形状が形成される。下刃230と上刃240とが基材150を間に介して噛み合わされた状態を図7に示す。図示するように、基材150は、下刃230の凸部231と上刃240の凹部242とが噛み合わされた箇所を頂面として、上刃240側に凸な形状に形成される。同時に、基材150は、下刃230の凹部232と上刃240の凸部241とが噛み合わされた箇所を底面として、上刃240側に凹な形状に形成される。このように形成された凹凸形状は、上述の波形要素WSEを形成する。
The
次に、上刃240を上方に移動させて元の位置に戻し、基材150を所定ピッチ(凹部232の基材送り方向の幅に相当する長さ)だけ基材送り方向に移動させると共に、下刃230と上刃240とを左右方向の一方に所定ピッチだけ移動させた後、上刃240を下刃230と噛み合う位置まで下方に移動させると、基材150の端部に2つ目の波形要素WSEが形成される。かかる工程を繰り返せば、図8に示すように、凸部161と凹部162とが第1の方向D1に沿って交互に並び、かつ、これらが第2の方向D2に沿って連設されたメタルラス160が形成される。
Next, the
こうしてメタルラス160が得られると、次に、図9に示すように、ロールプレス装置300を用いて、メタルラス160に平坦面173,174を形成して、加工メタルラス170を得る。具体的には、このロールプレス装置300は、ローラ310,320と、ステージ330とを備えている。メタルラス160をステージ330にセットし、矢印方向に回転するローラ310,320の間に、メタルラス160を挿入して、メタルラス160を上下方向に圧縮しながら、第2の方向D2の方向に沿って引き出すと、側面視において、凸部171の上端部が内方に向けて屈曲して形成された平坦面173と、凹部172の下端部が内方に向けて屈曲して形成された平坦面174とを備えた加工メタルラス170を得ることができる。こうして得られた加工メタルラス170の斜視図を図10に示す。図示するように、加工メタルラス170は、凸部171と凹部172とが第1の方向D1に沿って交互に並び、かつ、これらが第2の方向D2に沿って連設され、凸部171の頂面に平坦面173を備えた形状である(平坦面174は図示を省略)。すなわち、加工メタルラス170の形状は、ガス流路層40と比べて、突出部43bを備えていない形状である。加工メタルラス170の平坦面173は、ガス流路層40の第1の平坦面43aおよび第2の平坦面43cに対応する部位である。
When the
こうして加工メタルラス170が得られると、次に、プレス加工によって、加工メタルラス170の平坦面173の一部に、突出部43bを形成する。こうして、上述したガス流路層40が完成となる。
When the processed
A−5.効果:
上述した燃料電池20は、燃料ガスの流路となるガス流路層40を備えている。このガス流路層40は、セパレータ70側に凸な凸部41と、凹な凹部42とが第1の方向D1に沿って交互に並んだ波形断面の波形要素WSEが、第1の方向D1と略直交する第2の方向D2に沿って複数連設され、1つの波形要素WSEにおける凸部41の頂面43の少なくとも一部が、隣接する波形要素WSEにおける凹部42の底面44の少なくとも一部と一体的な面を形成し、かつ、波形要素WSE間に複数の貫通孔THが形成されており、凸部41、凹部42や貫通孔THによって形成される流路を介して略第2の方向D2に燃料ガスを流すことができる。ここで、複数の凸部41の各々の頂面43とセパレータ70との間には、略第2の方向D2に貫通する間隙G1、または、間隙G2,G3が形成されているので、当該間隙G1〜G3を介して、燃料ガスに含まれる水分(例えば、電気化学反応に伴いカソード電極32aで生じた生成水が電解質膜31を介してアノード電極32b側の燃料ガスに移行した水分)を燃料ガスの流れを利用して略第2の方向D2に流通させることができる。したがって、間隙G1〜G3が形成されていない場合と比べて、燃料ガスに含まれる水分の排出性を向上させることができる。なお、セパレータ70との間に間隙G1〜G3を形成する凸部41は、少なくとも1つ以上存在すれば、当該存在箇所において、上述の効果を得ることができる。また、ガス流路層60は、ガス流路層40と同一の構成を有しているので、同様の理由によって、酸化ガスに含まれる水分の排出性を向上させることができる。特に、酸化ガスには、カソード電極32aで生じた生成水が多く含まれるので、水分の排出性を向上させることによって、フラッディングの発生を抑制し、発電効率を高める顕著な効果を期待できる。
A-5. effect:
The
また、燃料電池20は、第2の凸部41bとセパレータ70との間の間隙G1が、略第1の方向D1にも貫通するように形成されているので、間隙G1を介して第2の凸部41bの第1の方向D1の両脇に滞留した水分同士が間隙G1を介して繋がりやすくなる。その結果、滞留水のサイズが大きくなり、反応ガスの流れを利用して、滞留水を排出しやすくすることができる。なお、セパレータ70との間に間隙G1を形成する第2の凸部41bは、少なくとも1つ以上存在すれば、当該存在箇所において、上述の効果を得ることができる。
Further, the
また、燃料電池20は、間隙G1〜G3がセパレータ70と、第2の平坦面43cまたは第1の平坦面43aとの間に形成されるので、間隙G1〜G3が形成される領域におけるセパレータ70と、第2の平坦面43cまたは第1の平坦面43aとの間隔ΔHを調節すれば、間隙G1〜G3に水膜を形成することが可能である。したがって、間隙G1〜G3に形成された水膜と凸部41の周辺に滞留した水分とが繋がりやすくなる。その結果、滞留水のサイズが大きくなり、反応ガスの流れを利用して、滞留水を排出しやすくすることができる。
In the
また、燃料電池20は、凸部41の頂面43の一部のみと、凹部42の底面44の一部のみとが一体的な面を形成するので、1つの凹部42と、これに隣接する凹部42とは、二次元的な経路で連通可能となる。つまり、略第2の方向D2に向かって、セパレータ70上に平面的に連通する流路を形成することができ、滞留水を排出しやすくすることができる。具体的には、図2に示したように、略第2の方向D2に隣り合う凹部42が連続して、セパレータ70上に平面的に連通する流路CH1を形成することができるので、セパレータ70上に連続した水の流れを形成しやすくなる。その結果、セパレータ70上の滞留水を排出しやすくすることができる。しかも、第2の凸部41bを介して隣り合う流路CH1の各々に存在する水は、第2の凸部41bの第2の平坦面43cとセパレータ70との間の間隙G1に形成される水膜を介して繋がりやすくなるので、流路CH1に滞留水が存在する場合でも、当該滞留水を取り込んで、連続した水の流れが極めて形成されやすい。
Further, in the
さらに、燃料電池20は、間隙G1〜G3の各々が略第2の方向D2に並んで形成されるので、各々の間隙G1〜G3を含んだ経路で、反応ガスの流れ方向(第2の方向D2)、すなわち、反応ガスに含まれる水分の排出方向に向かって水の流れ路が形成されやすく、反応ガスに含まれる水分の排出性を向上させることができる。しかも、間隙G1〜G3が第2の平坦面43cまたは第1の平坦面43aと、セパレータ70との間に形成されるので、間隙G1〜G3に水膜を形成することが可能となり、連続した水の流れが形成されやすくなる。具体的には、図2に示すように、間隙G1によって流路CH2に連続した水の流れが形成されやすくなり、また、間隙G2,G3によって、流路CH3,CH4に連続した水の流れが形成されやすくなり、略第2の方向D2への滞留水の排出性をさらに高めることができる。しかも、流路CH2は、両脇の流路CH1同士を連通させるので、流路CH2の水の流れと、その両脇の流路CH1の水の流れとを繋げることができ、滞留水の排出性をさらに高めることができる。流路CH2は、間隙G1に形成される水膜によって連続して水が流れる水路となりやすいので、流路CH1に局所的に滞留水が滞留し、連続した水の流れが形成されていない場合でも、当該滞留水を流路CH2の水の流れが捕捉して好適に排出することができる。
Furthermore, since each of the gaps G1 to G3 is formed in the second direction D2 in the
このように、燃料電池20の外部に向かう連続した水の流れが形成されると、水の排出性が高まり、水の滞留が抑制されることで反応ガスの流通性も向上し、生成水をセパレータ70側に移動させやすくなる。したがって、カソード電極32aで生成された生成水をセパレータ70側に導いて、生成された水を生成された分だけ燃料電池20の外部に速やかに排出することができ、燃料電池内部20に水が滞留することを極めて効果的に抑制することができる。その結果、滞留水が反応ガスの拡散性を悪化させることがなくなるので、反応ガスの拡散性が向上し、発電性能を向上させることができる。また、燃料電池スタック100の発電運転の停止後に、滞留水が燃料電池20の内部に残留することを抑制できるので、発電運転の氷点下始動性能が向上する。しかも、滞留水をセパレータ70の表面に導いて速やかに排出させることで、滞留水の滞留状況のばらつきを燃料電池20内で、また、複数の燃料電池20間で抑制し、ガス圧損がばらつくことを抑制することができる。その結果、反応ガスの供給および排出を発電体層35の面方向に、また、燃料電池20間で均一化することができ、発電効率を向上させることができる。
As described above, when a continuous water flow toward the outside of the
また、燃料電池20は、略第2の方向D2に隣接して並んだ複数の凹部42、すなわち、流路CH1を構成する凹部42が、略第2の方向D2であって相互に異なる複数の方向に並んでいるので、流路CH1を蛇行形状に形成することができる。その結果、流路CH1が直線的な形状に形成される場合と比べて、流路CH1を流れる反応ガスの拡散性が向上するので、反応ガスの発電体層35への供給性を高め、発電効率を向上させることができる。
The
B.第2実施例:
本発明の第2実施例について説明する。第2実施例としての燃料電池は、ガス流路層の構成のみが第1実施例と異なる。以下、第2実施例としてのガス流路層440の構成について、第1実施例と異なる点についてのみ説明し、第1実施例と共通する構成については、説明を省略する。ガス流路層440を構成する波形要素WSEの波形断面を図11に示す。図示するように、ガス流路層440の波形要素WSEは、第1の凸部441a,凹部442,第2の凸部441b、凹部442を1つの単位として繰り返した凹凸形状を備えている。
B. Second embodiment:
A second embodiment of the present invention will be described. The fuel cell as the second embodiment is different from the first embodiment only in the configuration of the gas flow path layer. Hereinafter, the configuration of the gas
第1の凸部441aの頂面は、第1の方向D1の端部から中央へ向かって凸方向の高さが直線的に高くなる突出部443bを備えている。第2の凸部441bの頂面は、第1実施例の第2の平坦面43cと同様にセパレータ70の積層面に平行な第2の平坦面443cを備えている。第1の凸部441aの頂部の凸方向の高さ、すなわち、第1の凸部441aが備える突出部443bの頂部の高さと、第2の凸部441bの第2の平坦面443cの凸方向の高さとは、突出部443bの高さに相当するΔHの差が確保されている。ガス流路層440とセパレータ70とを積層した際には、突出部443bの頂部は、セパレータ70に当接するので、第2の平坦面443cとセパレータ70との間には、高さがΔHの間隙G41が生じることとなる。同様に、突出部43bのうちの頂部を除く領域と、セパレータ70との間には、当該頂部の両脇に高さが最大でΔHとなる間隙G42,G43が生じることとなる。
The top surface of the first
かかる構成のガス流路層440を備える燃料電池は、第1実施例で述べた、間隙G2,G3がガス流路層40の平坦面とセパレータ70との間に形成されていることに起因する効果を除き、第1実施例と同様の効果を奏する。
The fuel cell including the gas
また、第2実施例としてのガス流路層の他の構成の例をガス流路層540として説明する。ガス流路層540を構成する波形要素WSEの波形断面を図12に示す。図示するように、ガス流路層540の波形要素WSEは、第1の凸部541a,凹部542,第2の凸部541b、凹部542を1つの単位として繰り返した凹凸形状を備えている。
An example of another configuration of the gas flow path layer as the second embodiment will be described as a gas
第1の凸部541aの頂面は、端部から中央へ向かって凸方向の高さが曲線的に高くなる突出部543bを備えている。第2の凸部541bの頂面は、第1実施例の第2の平坦面43cと同様にセパレータ70の積層面に平行な平坦面としての第2の平坦面543cを備えている。第1の凸部541aの頂部の凸方向の高さ、すなわち、第1の凸部541aが備える突出部543bの頂部の高さと、第2の凸部541bの第2の平坦面543cの凸方向の高さとは、突出部543bの高さに相当するΔHの差が確保されている。ガス流路層540とセパレータ70とを積層した際には、突出部543bの頂部は、セパレータ70に当接するので、第2の平坦面543cとセパレータ70との間には、高さがΔHの間隙G51が生じることとなる。
The top surface of the first
かかる構成のガス流路層540を備える燃料電池は、第1実施例で述べた、間隙G2,G3がガス流路層40とセパレータ70との間に形成されていることに起因する効果を除き、第1実施例と同様の効果を奏する。
The fuel cell including the gas
以上の説明からも明らかなように、第1の凸部は、必ずしもその頂面に平坦面を備えている必要はなく、第1の凸部の頂部が第2の凸部の頂部よりも凸方向に相対的に高く形成され、少なくとも第2の頂部とセパレータ70との間に間隙を形成できればよい。なお、図示は、省略するが、第2の凸部についても、同様に、必ずしもその頂面に平坦面を備えていなくてもよく、例えば、間隙G41,G42のように、セパレータ70との間に少なくとも概ね第2の方向D2に貫通する間隙が形成されればよい。
As is clear from the above description, the first convex portion does not necessarily have a flat surface on the top surface, and the top portion of the first convex portion is more convex than the top portion of the second convex portion. It suffices if the gap is formed relatively high in the direction and at least a gap can be formed between the second top and the
C.第3実施例:
本発明の第3実施例について説明する。第3実施例としての燃料電池は、ガス流路層の構成のみが第1実施例と異なる。以下、第3実施例としてのガス流路層640の構成について、第1実施例と異なる点についてのみ説明し、第1実施例と共通する構成については、説明を省略する。ガス流路層640の概略構造を図13に示す。ガス流路層640は、第1の凸部641aと第2の凸部641bとを備えている。この第1の凸部641aは、第1実施例の第1の凸部41aに相当し、第1の凸部41aとは若干構成が異なる。この相違点については以下で説明する。第2の凸部641bは、第1実施例の第2の凸部41bに相当し、第2の凸部41bと同一の構成である。
C. Third embodiment:
A third embodiment of the present invention will be described. The fuel cell as the third embodiment is different from the first embodiment only in the configuration of the gas flow path layer. Hereinafter, the configuration of the gas
第1の凸部641aは、その頂面643に第1の平坦面643aと突出部643bとを備えている。第1の平坦面643aは、第1実施例の第1の平坦面43aに相当し、第1の平坦面43aと同一の構成である。突出部643bは、第1実施例の突出部43bに相当するが、構成が突出部43bと異なる。具体的には、突出部643bは、第1の平坦面643aからセパレータ70側に突出し、かつ、突出部643bの外周に第1の平坦面643aが形成された形状を備えている点が突出部43bと異なる。かかる構成のガス流路層640は、第1実施例と同様に、流路CH1〜CH4を形成することが可能である。
The first
かかるガス流路層640とセパレータ70とを積層した際の、ガス流路層640の側面視図の一部を図14に示す。図14では、2つの第1の凸部641aと1つの第2の凸部641bとを含む部位のガス流路層640の側面視を示している。図示するように、ガス流路層640の側面視においては、第2の平坦面643cとセパレータ70との間には、第1実施例と同様に、間隙G61が形成されている。この間隙G61によって、第2の凸部641bの両脇に形成された流路CH1同士が連通する。また、突出部643bの頂部とセパレータ70とが当接し、突出部643bの第1の方向D1の両脇には、第1の平坦面643aとセパレータ70との間に間隙G64,G65が形成されている。この間隙G64,G65によって、第1の凸部641aの両脇に形成された流路CH1同士が第1の方向D1の方向に連通する。
FIG. 14 shows a part of a side view of the gas
かかる構成のガス流路層640を備えた燃料電池は、第1実施例と同様の効果を奏する。しかも、当該燃料電池において、ガス流路層640の第1の凸部641aが備える突出部643bは、突出部643bの外周に第1の平坦面643aが形成された形状を有しているので、第1の凸部641aの第1の方向D1の両脇に形成された流路CH1同士を、第1の平坦面643aとセパレータ70との間に間隙G64,G65を介して連通させることができる。その結果、第1の凸部641aの両脇に滞留した水分同士が間隙G64,G65を介して繋がりやすくなり、滞留水を排出しやすくする効果をいっそう高めることができる。
The fuel cell including the gas
D.第4実施例:
本発明の第4実施例について説明する。第4実施例としての燃料電池は、ガス流路層の構成のみが第1実施例と異なる。以下、第4実施例としてのガス流路層740の構成について、第1実施例と異なる点についてのみ説明し、第1実施例と共通する構成については、説明を省略する。ガス流路層740を構成する波形要素WSEの波形断面を図15に示す。図示するように、ガス流路層740の波形要素WSEは、第1の凸部741a,凹部742,第2の凸部741b、凹部742を1つの単位として繰り返した凹凸形状を備えている。
D. Fourth embodiment:
A fourth embodiment of the present invention will be described. The fuel cell as the fourth embodiment differs from the first embodiment only in the configuration of the gas flow path layer. Hereinafter, the configuration of the gas
第1の凸部741aの頂面は、セパレータ70の積層面と平行な第1の平坦面743aを備えている。この第1の平坦面743aは、第1実施例の突出部43bのような突出形状を備えていない。第2の凸部741bの頂面は、第1実施例の第2の平坦面43cと同様にセパレータ70の積層面に平行な第2の平坦面743cを備えている。第1の平坦面743aの凸方向の高さは、第2の平坦面743cの凸方向の高さよりも相対的に高く形成されている。この第1の平坦面743aと第2の平坦面743cとの凸方向の高さの差は、ΔHだけ確保されている。ガス流路層740とセパレータ70とを積層した際には、相対的に凸方向の高さが高い第1の凸部741aの第1の平坦面743aがセパレータ70に当接するので、第2の平坦面743cとセパレータ70との間には、高さがΔHの間隙G71が生じることとなる。
The top surface of the first
かかるガス流路層740とセパレータ70とを積層した際の、ガス流路層740の側面視図の一部を図16に示す。図16では、2つの第1の凸部741aと1つの第2の凸部741bとを含む部位のガス流路層740の側面視を示している。図示するように、ガス流路層740の側面視においては、第2の平坦面743cとセパレータ70との間には、第1実施例と同様に、間隙G71が形成されている。この間隙G71によって、第2の凸部741bの両脇に形成された流路CH1同士が連通する。なお、このガス流路層740は、例えば、図10に示した加工メタルラス170に対して、第2の凸部741bの第2の平坦面743cに相当する部位をエッチングや切削加工を行うことによって、第1の平坦面743aと第2の平坦面743cとの間のΔHを形成して製造することができる。
FIG. 16 shows a part of a side view of the gas
かかる構成のガス流路層740を備えた燃料電池は、第1実施例で述べた、間隙G2,G3がガス流路層40とセパレータ70との間に形成されていることに起因する効果を除き、第1実施例と同様の効果を奏する。以上の説明から明らかなように、ガス流路層とセパレータとの間の間隙は、ガス流路層を構成する凸部に突出部を設けて形成することに限らず、各々の凸部の凸方向の高さを複数の高さに設定することで形成してもよい。
The fuel cell provided with the gas
E.第5実施例:
本発明の第5実施例について説明する。第5実施例としての燃料電池は、ガス流路層の構成とセパレータの構成とが第1実施例と異なる。以下、第5実施例としてのガス流路層840とセパレータ870との構成について、第1実施例と異なる点についてのみ説明し、第1実施例と共通する構成については、説明を省略する。ガス流路層840とセパレータ870とを積層した際の、ガス流路層840の側面視図の一部を図17に示す。図17は、第1実施例の図4に対応している。ガス流路層840は、第1実施例で示した加工メタルラス170と同一の構成を有している。すなわち、ガス流路層840は、第1実施例としてのガス流路層40が突出部43bを備えていない構成である。具体的には、図17に示すように、波形要素WSEを構成する凸部は、同一構造の凸部841のみで構成され、その各々の頂面には、セパレータ870の積層面と平行な第2の平坦面843cを備えている。
E. Example 5:
A fifth embodiment of the present invention will be described. The fuel cell as the fifth embodiment is different from the first embodiment in the configuration of the gas flow path layer and the configuration of the separator. Hereinafter, the configuration of the gas
セパレータ870は、第1実施例のガス流路層40の第1の平坦面43aに対応する位置に、セパレータ870の積層面からガス流路層840側に突出した突出部871を備えている。換言すれば、このセパレータ870は、ガス流路層840との積層面に、略平坦な平坦部と、当該平坦部よりも当該積層面と交わる方向に突出し、積層面に点在する突出部871とを備えている。突出部871は、請求項の第1の突出部に該当する。この突出部871のガス流路層840側の端面は、平坦に形成されている。なお、突出部871のガス流路層840側の端面は、必ずしも平坦面に形成されている必要はなく、尖った形状でもよいし、屈曲したR形状であってもよい。また、本実施例では、突出部871の端面の面積は、第2の平坦面843cよりも小さく形成されている。セパレータ870とガス流路層840とを積層した状態では、突出部871の端面と、第2の平坦面843cとが面で当接する。本実施例では、突出部871の端面の中心が第2の平坦面843cの概ね中心に位置するように当接する位置関係である。なお、突出部871は、例えば、エッチングや切削加工によって形成することができる。
The
図17に示すように、ガス流路層840の側面視において、セパレータ870と当接しない第2の平坦面843cと、セパレータ870との間には、間隙G81が形成されている。この間隙G81によって、セパレータ870と当接しない第2の平坦面843cを備える凸部841の第1の方向D1の両脇に形成された流路CH1同士が連通する。また、セパレータ870と当接する第2の平坦面843cと、セパレータ870の突出部871が形成されていない領域との間には、突出部871の第1の方向D1の両脇に間隙G84,G85が形成されている。
As shown in FIG. 17, a gap G <b> 81 is formed between the second
かかるガス流路層840とセパレータ870とを備える燃料電池は、第1実施例の間隙G1〜G3に相当する間隙G81〜83が形成されるので、第1実施例と同様の効果を奏する。しかも、平坦なセパレータの正面の所定位置に凸部841を設けるだけで、間隙G81〜83を形成することができ、燃料電池の製造が容易となる。以上の説明からも明らかなように、ガス流路層とセパレータとの間に間隙を形成するための突出部は、ガス流路層側に設けることに限らず、セパレータ側に設けてもよい。
The fuel cell including the gas
F.第6実施例:
本発明の第6実施例について説明する。第6実施例としての燃料電池は、ガス流路層の構成のみが第1実施例と異なる。以下、第6実施例としてのガス流路層940の構成について、第1実施例と異なる点についてのみ説明し、第1実施例と共通する構成については、説明を省略する。ガス流路層940の概略構造を図18に示す。ガス流路層940は、第1の凸部941aと第2の凸部941bとを備えている。この第1の凸部941aは、第1実施例の第1の凸部41aに相当し、第2の凸部941bは、第1実施例の第2の凸部41bに相当する。
F. Example 6:
A sixth embodiment of the present invention will be described. The fuel cell as the sixth embodiment is different from the first embodiment only in the configuration of the gas flow path layer. Hereinafter, the configuration of the gas
第1の凸部941aおよび第2の凸部941bの構成は、第1実施例の凸部41aおよび凸部41bと概ね同一の構成を備えている。具体的には、第1の凸部941aは、その頂面943に、第1実施例の第1の平坦面43a、突出部43bと同一の構成を有する第1の平坦面943a、突出部943bを備えている。また、第2の凸部941bは、その頂面943に、第1実施例の第2の平坦面43cと同一の構成を有する第2の平坦面943cを備えている。ただし、第1の凸部941aと第2の凸部941bとは、以下に説明する点が第1実施例と異なる。すなわち、第1の凸部941aおよび第2の凸部941bの頂部の発電体層35側には、それぞれ、当該頂部の一部が、頂面943のセパレータ70側の外縁、つまり、第1の平坦面943aまたは第2の平坦面943cの外縁まで切り欠かれた切欠部943d,943eが形成されている点が第1実施例と異なる。本実施例においては、この切欠部943d,943eは、セパレータ70側まで貫通して切り欠かれた形状を有している。
The configuration of the first
かかる構成のガス流路層940を備える燃料電池は、頂面943に切欠部943d,943eが形成されているので、第1の平坦面943a、突出部943b、第2の平坦面943cの発電体層35側に水が滞留した場合、当該滞留水が、セパレータ70の表面の滞留水と接触して、セパレータ70の表面側に移行することを促進することができる。したがって、滞留水の排出性を向上させることができる。しかも、切欠部943d,943eは、セパレータ70側まで貫通しているので、第1の平坦面943a、突出部943b、第2の平坦面943cの発電体層35側に滞留する滞留水は、セパレータ70の表面側に極めて移行やすくなり、排出性をいっそう向上させることができる。さらに、滞留水をセパレータ70の表面に導いて排出させることで、滞留水の滞留状況のばらつきを燃料電池20内で、また、複数の燃料電池20間で抑制し、ガス圧損がばらつくことを抑制することができる。その結果、反応ガスの供給および排出を発電体層35の面方向に、また、燃料電池20間で均一化することができ、発電効率を向上させることができる。なお、切欠部943d,943eがセパレータ70側まで貫通して形成されることは必須ではない。
Since the fuel cell including the gas
G.変形例:
上述の実施例の変形例について説明する。
G−1.変形例1:
上述の実施形態においては、発電体層35の両側(カソード電極32a側とアノード電極32b側)に、本発明の実施形態としての構成を有するガス流路層を備える構成としたが、かかる構成のガス流路層は、カソード電極32a側、アノード電極32b側のいずれか一方のみに用いられてもよい。同様に、第5実施例として示した突出部を備えるセパレータも、カソード電極32a側、アノード電極32b側のいずれか一方のみに設ける構成としてもよい。もとより、ガス流路層は、カソード電極32a側、アノード電極32b側のいずれか一方のみに設ける構成としてもよい。
G. Modifications:
A modification of the above embodiment will be described.
G-1. Modification 1:
In the above-described embodiment, the gas flow passage layer having the configuration according to the embodiment of the present invention is provided on both sides (the
G−2.変形例2:
上述の実施形態においては、ガス流路層の頂面には、セパレータの積層面と平行な平坦面を備え、主に当該平坦面とセパレータとの間に間隙を形成する構成としたが、間隙は、必ずしも平坦面とセパレータとの間で形成される必要はない。ガス流路層が平坦面を備えていなくても、ガス流路層の凸部の少なくとも1つとセパレータとの間に、少なくとも略第1の方向D1に貫通する間隙が形成されていればよい。例えば、第1実施例で示したメタルラス160の凸部161を、凸方向の高さが相対的に高いものと低いものとが混在するように構成して、ガス流路部材として用いれば、相対的に低い凸部161とセパレータとの間に間隙を形成することができる。こうしても、流路CH1間の滞留水を繋げて排出性を高める効果はある程度期待できる。
G-2. Modification 2:
In the above-described embodiment, the top surface of the gas flow path layer is provided with a flat surface parallel to the laminated surface of the separator, and the gap is mainly formed between the flat surface and the separator. Is not necessarily formed between the flat surface and the separator. Even if the gas flow path layer does not have a flat surface, it is sufficient that a gap penetrating at least substantially in the first direction D1 is formed between at least one of the convex portions of the gas flow path layer and the separator. For example, if the
G−3.変形例3:
上述の実施形態においては、ガス流路部材が備える複数の波形要素WSEは、1つの波形要素WSEにおける凸部の頂面の一部と、当該波形要素WSEに隣接する波形要素WSEにおける凹部の底面の一部とが、一体的な面を形成するように構成したが、凸部の頂面の全部と、凹部の底面の全部とが一体的な面を形成するように構成してもよいし、凸部の頂面と凹部の底面とのうちの、一方の全部と一方の一部とが一体的な面を形成するように構成してもよい。
G-3. Modification 3:
In the above-described embodiment, the plurality of corrugated elements WSE provided in the gas flow path member includes a part of the top surface of the convex portion in one corrugated element WSE and the bottom surface of the concave portion in the corrugated element WSE adjacent to the corrugated element WSE. However, it may be configured such that the entire top surface of the convex portion and the entire bottom surface of the concave portion form an integral surface. Of the top surface of the convex part and the bottom surface of the concave part, one of all and one part may form an integral surface.
以上、本発明の実施形態について説明したが、上述した実施形態における本発明の構成要素のうち、独立クレームに記載された要素以外の要素は、付加的な要素であり、適宜省略、または、組み合わせが可能である。また、本発明はこうした実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を脱しない範囲において、種々なる態様で実施できることは勿論である。例えば、本発明は、実施例に示した固体高分子形燃料電池に限らず、ダイレクトメタノール形燃料電池、リン酸形燃料電池など種々の燃料電池に適用することができる。 As mentioned above, although embodiment of this invention was described, elements other than the element described in the independent claim among the components of this invention in embodiment mentioned above are additional elements, and are suitably abbreviate | omitted or combined. Is possible. In addition, the present invention is not limited to such an embodiment, and it is needless to say that the present invention can be implemented in various modes without departing from the gist of the present invention. For example, the present invention is not limited to the polymer electrolyte fuel cell shown in the embodiments, but can be applied to various fuel cells such as a direct methanol fuel cell and a phosphoric acid fuel cell.
20…燃料電池
30a,71a,95a…水素供給マニホールド
30b,71b,95b…空気供給マニホールド
30c,71c,95c…水素排出マニホールド
30d,71d,95d…空気排出マニホールド
30e,71e,95e…冷却水供給マニホールド
30f,71f,95f…冷却水排出マニホールド
31…電解質膜
32a…カソード電極
32b…アノード電極
33a,33b…ガス拡散層
34…MEA
35…発電体層
36…シールガスケット
40,60,440,540,640,740,840,940…ガス流路層
41,841…凸部
41a,441a,541a,641a,741a,941a…第1の凸部
41b,441b,541b,641b,741b,941b…第2の凸部
42,442,542,742…凹部
43,643,943…頂面
43a,643a,743a,943a…第1の平坦面
43b,443b,543b,643b,943b…突出部
43c,443c,543c,643c,743c,843c,943c…第2の平坦面
44,644,944…底面
60…ガス流路層
70,80…セパレータ
71…カソード側セパレータ
72…中間セパレータ
72a…水素連通孔
72b…空気連通孔
73…アノード側セパレータ
75,76…空気連通孔
95…エンドプレート
100…燃料電池スタック
150…基材
160…メタルラス
170…加工メタルラス
161,171…凸部
162,172…凹部
173,174…平坦面
200…ラスカット加工装置
210,220…ローラ
230…下刃
240…上刃
231,241…凸部
232,242…凹部
233,243…剪断刃
300…ロールプレス装置
310,320…ローラ
330…ステージ
870…セパレータ
871…突出部
943d…切欠部
D1…第1の方向
D2…第2の方向
G1〜G3,G41〜G43,G51,G61,G64,G65,G71,G81,G84,G85…間隙
TH…貫通孔
CH1〜CH4…流路
WSE…波形要素
20 ...
35 ...
Claims (15)
電解質膜を備えた発電体層と、
前記発電体層を間に挟んで配置された一対のセパレータと、
前記発電体層と前記一対のセパレータの少なくとも一方との間に配置され、前記発電体層での発電反応に供される反応ガスの流路となるガス流路層であって、前記セパレータ側に凸な凸部と、該セパレータ側に凹な凹部とが第1の方向に沿って交互に並んだ波形断面の波形要素が、前記第1の方向と略直交する第2の方向に沿って複数連設され、1つの前記波形要素における前記凸部の頂面の少なくとも一部が、隣接する前記波形要素における前記凹部の底面の少なくとも一部と一体的な面を形成し、かつ、前記波形要素間に複数の貫通孔が形成されたガス流路層と
を備え、
前記複数の波形要素を構成する複数の前記凸部のうちの少なくとも1つの凸部である特定凸部の頂面の少なくとも一部と前記セパレータとの間に、略前記第2の方向に貫通する間隙が形成された
燃料電池。 A fuel cell,
A power generation layer provided with an electrolyte membrane;
A pair of separators arranged with the power generation layer interposed therebetween;
A gas flow path layer disposed between the power generation body layer and at least one of the pair of separators and serving as a flow path for a reaction gas to be used for a power generation reaction in the power generation body layer, on the separator side A plurality of corrugated elements having a corrugated cross-section in which convex convex portions and concave portions concave on the separator side are alternately arranged along the first direction are provided along a second direction substantially orthogonal to the first direction. And at least a part of the top surface of the convex part in one of the corrugated elements forms a surface integral with at least a part of the bottom surface of the concave part in the adjacent corrugated element, and the corrugated element A gas flow path layer having a plurality of through holes formed therebetween,
Between at least a part of the top surface of the specific convex portion, which is at least one convex portion of the plurality of convex portions constituting the plurality of waveform elements, and substantially in the second direction. A fuel cell with a gap formed.
前記特定凸部の頂面は、前記セパレータと平行な平坦面を備え、
前記間隙は、前記セパレータと前記平坦面との間に形成された
燃料電池。 The fuel cell according to claim 1 or 2, wherein
The top surface of the specific convex portion includes a flat surface parallel to the separator,
The gap is a fuel cell formed between the separator and the flat surface.
前記ガス流路層と隣接して設けられるセパレータは、前記複数の凸部のうちの少なくとも1つの前記凸部に対応する位置に、前記ガス流路層側に突出した第1の突出部を備え、
前記第1の突出部と、該第1の突出部に対応する位置の前記凸部の頂面とが当接し、
前記複数の凸部の頂面と、前記第1の突出部が形成されていない領域の前記セパレータとの間に前記間隙が形成された
燃料電池。 A fuel cell according to any one of claims 1 to 3,
The separator provided adjacent to the gas flow path layer includes a first protrusion that protrudes toward the gas flow path layer at a position corresponding to at least one of the plurality of protrusions. ,
The first protrusion and the top surface of the protrusion at a position corresponding to the first protrusion,
The fuel cell in which the gap is formed between the top surfaces of the plurality of convex portions and the separator in a region where the first protrusion is not formed.
前記複数の凸部のうちの少なくとも1つの前記凸部の頂面には、他の凸部の頂面よりも前記セパレータ側に突出した第2の突出部が形成され、
前記第2の突出部と、前記セパレータとが当接し、
前記複数の凸部のうちの前記第2の突出部が形成されていない領域と、前記セパレータとの間に前記間隙が形成された
燃料電池。 A fuel cell according to any one of claims 1 to 3,
The top surface of at least one of the plurality of protrusions is formed with a second protrusion that protrudes toward the separator with respect to the top surface of the other protrusion.
The second protrusion and the separator abut,
The fuel cell in which the gap is formed between a region of the plurality of protrusions where the second protrusion is not formed and the separator.
前記凸部は、該凸部の頂部の凸方向の高さが相対的に高い第1の凸部と、相対的に低い前記特定凸部としての第2の凸部とを含み、
前記第1の凸部の頂部と前記セパレータとが当接し、
少なくとも前記第2の凸部の頂部と前記セパレータとの間に前記間隙が形成された
燃料電池。 A fuel cell according to any one of claims 1 to 3,
The convex portion includes a first convex portion having a relatively high height in the convex direction of the top portion of the convex portion, and a second convex portion as the specific convex portion that is relatively low,
The top of the first convex part and the separator abut,
A fuel cell in which the gap is formed at least between the top of the second protrusion and the separator.
前記複数の凸部の頂面の各々は、前記セパレータと平行な平坦面を備え、
前記平坦面は、該平坦面から前記セパレータ側に突出し、該セパレータと当接する第3の突出部が形成された第1の平坦面と、該第3の突出部を備えない第2の平坦面とを含み、
前記間隙は、前記セパレータと前記第3の突出部が形成された領域を除く前記第1の平坦面との間に形成され、前記略第2の方向に貫通する第1の間隙と、該セパレータと前記第2の平坦面との間に形成され、略前記第1の方向および前記略第2の方向に貫通する第2の間隙とを含む
燃料電池。 The fuel cell according to claim 1, wherein
Each of the top surfaces of the plurality of convex portions includes a flat surface parallel to the separator,
The flat surface protrudes from the flat surface toward the separator, and includes a first flat surface formed with a third protrusion that contacts the separator, and a second flat surface that does not include the third protrusion. Including
The gap is formed between the separator and the first flat surface excluding the region where the third projecting portion is formed, and the first gap penetrating in the substantially second direction; and the separator And a second gap formed between the first flat surface and substantially the first direction and the second direction. The fuel cell.
所定の方向に凸な凸部と、該所定の方向に凹な凹部とが第1の方向に沿って交互に並んだ波形断面の波形要素が、前記第1の方向と略直交する第2の方向に沿って複数連設され、
1つの前記波形要素における前記凸部の頂面の少なくとも一部が、隣接する前記波形要素における前記凹部の底面の少なくとも一部と一体的な面を形成し、かつ、前記波形要素間に複数の貫通孔が形成され、
前記複数の波形要素を構成する複数の前記凸部のうちの少なくとも1つの凸部の頂部の凸方向の高さは、該複数の凸部のうちの他の凸部の頂部の該凸方向の高さと異なる
流路部材。 A flow path member that forms a flow path of a gas related to a power generation reaction of a fuel cell,
A corrugated element having a corrugated cross-section in which convex portions convex in a predetermined direction and concave portions concave in the predetermined direction are alternately arranged along the first direction is a second shape substantially orthogonal to the first direction. A plurality of lines are arranged along the direction,
At least a part of the top surface of the convex part in one corrugated element forms a surface integral with at least a part of the bottom surface of the concave part in the adjacent corrugated element, and a plurality of gaps between the corrugated elements A through hole is formed,
The height in the convex direction of the top part of at least one convex part among the plurality of convex parts constituting the plurality of waveform elements is the height of the convex part in the top part of the other convex part among the plurality of convex parts. Channel member different from height.
前記燃料電池は、
電解質膜を備えた発電体層と、
前記発電体層を間に挟んで配置された一対の前記セパレータと、
前記発電体層と前記一対のセパレータの少なくとも一方との間に配置され、前記発電体層での発電反応に供される反応ガスの流路となるガス流路層であって、前記セパレータ側に凸な凸部と、該セパレータ側に凹な凹部とが第1の方向に沿って交互に並んだ波形断面の波形要素が、前記第1の方向と略直交する第2の方向に沿って複数連設され、1つの前記波形要素における前記凸部の頂面の少なくとも一部が、隣接する前記波形要素における前記凹部の底面の少なくとも一部と一体的な面を形成し、かつ、前記波形要素間に複数の貫通孔が形成されたガス流路層と
を備え、
前記複数の凸部のうちの少なくとも1つの前記凸部に対応する位置に、該ガス流路層側に突出した突出部を備えたセパレータ。 A separator used in a fuel cell,
The fuel cell
A power generation layer provided with an electrolyte membrane;
A pair of the separators disposed with the power generating layer interposed therebetween;
A gas flow path layer disposed between the power generation body layer and at least one of the pair of separators and serving as a flow path for a reaction gas to be used for a power generation reaction in the power generation body layer, on the separator side A plurality of corrugated elements having a corrugated cross-section in which convex convex portions and concave portions concave on the separator side are alternately arranged along the first direction are provided along a second direction substantially orthogonal to the first direction. And at least a part of the top surface of the convex part in one of the corrugated elements forms a surface integral with at least a part of the bottom surface of the concave part in the adjacent corrugated element, and the corrugated element A gas flow path layer having a plurality of through holes formed therebetween,
The separator provided with the protrusion part which protruded in this gas flow path layer side in the position corresponding to the said at least 1 said convex part among these convex parts.
前記燃料電池の他の部材との積層面は、略平坦な平坦部と、該平坦部よりも該積層面と交わる方向に突出し、該積層面に点在する突出部とを備えた
セパレータ。 A separator used in a fuel cell,
A separator having a substantially flat flat portion and a protruding portion that protrudes in a direction intersecting the stacked surface from the flat portion and is scattered on the stacked surface.
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- 2010-08-24 JP JP2010186823A patent/JP2012048825A/en active Pending
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