JP2010218817A

JP2010218817A - Fuel cell

Info

Publication number: JP2010218817A
Application number: JP2009062899A
Authority: JP
Inventors: Yasushi Matsuhiro; 泰松廣; Minoru Okamiya; 稔岡宮; Shinji Miyoshi; 新二三好; Takashi Kajiwara; 隆梶原; Seiji Sano; 誠治佐野
Original assignee: Nippon Soken Inc; Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp; Soken Inc
Priority date: 2009-03-16
Filing date: 2009-03-16
Publication date: 2010-09-30

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To achieve equalization of a supply amount of reaction gas to a catalyst layer of a fuel cell using ribs constructing a gas flow path flowing the reaction gas and a separator with a groove formed. <P>SOLUTION: When a mole flux of oxygen at an interface site (a point B) that is an interface of a gas diffusion layer 16 and the catalyst layer 14 and opposed to a central part of the rib in a width direction with an interposition of the gas diffusion layer 16 is defined as N, a rib width as 2χ, an equilibrium constant as K, a diffusion coefficient of oxygen as D, a difference of oxygen concentrations between that at a part (a point A), where a rib 20r in the cathode gas flow path 20p abuts the gas diffusion layer 16, and that of the above interface site (the point B) opposed to a central part of the rib in a width direction with an interposition of the gas diffusion layer 16 as ΔP, and a thickness of the gas diffusion layer as h, a width of the rib 20r formed on a cathode side separator 20 should be not more than the value of: dN/dχ= K×D×ΔP×χ/(χ<SP>2</SP>+h<SP>2</SP>)<SP>3/2</SP>at its minimum. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

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.

燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応によって発電する燃料電池がエネルギ源として注目されている。そして、燃料電池は、一般に、電解質膜に両面に、それぞれ、触媒層、および、ガス拡散層を積層してなる発電体（例えば、膜電極接合体）を、セパレータによって挟持することによって構成される。そして、このような燃料電池には、セパレータにおけるガス拡散層と当接する側の表面に、リブおよび溝を形成することによって、発電に供する反応ガス（燃料ガス、および、酸化剤ガス）が流れるガス流路が構成されるタイプのものがある（下記特許文献１参照）。 A fuel cell that generates power by an electrochemical reaction between a fuel gas and an oxidant gas has attracted attention as an energy source. A fuel cell is generally configured by sandwiching a power generation body (for example, a membrane electrode assembly) formed by laminating a catalyst layer and a gas diffusion layer on both surfaces of an electrolyte membrane with a separator. . In such a fuel cell, a gas in which a reactive gas (fuel gas and oxidant gas) for power generation flows is formed by forming ribs and grooves on the surface of the separator that is in contact with the gas diffusion layer. There is a type in which a flow path is configured (see Patent Document 1 below).

特開２００３−３０３５９７号公報JP 2003-303597 A

セパレータの表面に形成されたリブおよび溝によってガス流路が構成される上述した燃料電池では、上記リブがガス拡散層と当接するので、上記リブと当接するガス拡散層の領域への反応ガス（空気、および、水素）の供給量は、上記溝に対向する領域（上記リブと当接しない領域）におけるガス拡散層への供給量よりも少なくなる。このため、触媒層において、ガス拡散層を挟んで上記リブと対向する領域における発電量は、他の領域における発電量よりも少なくなり、燃料電池全体としての発電量の低下を招く。したがって、上記発電量の低下を抑制するためには、上記リブの幅を極力小さくすることが好ましい。しかし、ガス拡散層、および、上記リブは、それぞれ導電体からなり、上記リブの幅を小さくすれば、ガス拡散層と上記リブとの接触抵抗が増大するため、電池性能の低下を招く。つまり、上記リブとガス拡散層との当接部分に対向するガス拡散層の領域への反応ガスの供給量を増大させることと、上記リブとガス拡散層との接触抵抗を低下させることとは、トレードオフの関係にある。そして、従来、上記２つの要求を高度に満足させるための技術について、十分な検討がなされていなかった。 In the above-described fuel cell in which the gas flow path is configured by the ribs and grooves formed on the surface of the separator, the rib contacts the gas diffusion layer, so that the reaction gas to the region of the gas diffusion layer that contacts the rib ( The supply amount of air and hydrogen is smaller than the supply amount to the gas diffusion layer in the region facing the groove (the region not in contact with the rib). For this reason, in the catalyst layer, the amount of power generation in the region facing the rib across the gas diffusion layer is smaller than the amount of power generation in the other regions, leading to a decrease in the power generation amount of the entire fuel cell. Therefore, in order to suppress the decrease in the power generation amount, it is preferable to reduce the width of the rib as much as possible. However, each of the gas diffusion layer and the rib is made of a conductor, and if the width of the rib is reduced, the contact resistance between the gas diffusion layer and the rib is increased, resulting in a decrease in battery performance. That is, increasing the amount of reaction gas supplied to the region of the gas diffusion layer facing the contact portion between the rib and the gas diffusion layer, and reducing the contact resistance between the rib and the gas diffusion layer There is a trade-off relationship. Conventionally, sufficient studies have not been made on a technique for highly satisfying the above two requirements.

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、反応ガスが流れるガス流路を構成するためのリブおよび溝が形成されたセパレータを用いた燃料電池において、発電性能の向上を図ることを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and in a fuel cell using a separator in which ribs and grooves for forming a gas flow path through which a reaction gas flows is formed, power generation performance is improved. The purpose is to plan.

本発明は、上述の課題の少なくとも一部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。 SUMMARY An advantage of some aspects of the invention is to solve at least a part of the problems described above, and the invention can be implemented as the following forms or application examples.

［適用例１］電解質膜の両面に、それぞれ、触媒層、および、ガス拡散層を積層してなる発電体を、セパレータによって挟持した燃料電池であって、前記セパレータは、前記ガス拡散層と当接する側の表面に、発電に供する反応ガスが流れるガス流路を構成するためのリブおよび溝を備えており、前記リブにおける前記ガス拡散層と当接する部分の幅は、前記ガス拡散層と前記触媒層との界面部位であって、前記ガス拡散層を挟んで前記リブの幅方向の中央部と対向する前記界面部位における前記反応ガスのモル流束をＮ、前記リブにおける前記ガス拡散層と当接する部分の幅の１／２をχ、平衡定数をＫ、前記反応ガスの拡散係数をＤ、前記ガス流路内の前記リブと前記ガス拡散層とが当接する部分における前記反応ガスの濃度と前記ガス拡散層を挟んで前記リブの幅方向の中央部と対向する前記界面部位における前記反応ガスの濃度との差をΔＰ、前記ガス拡散層の厚さをｈ、としたときに、ｄＮ／ｄχ＝Ｋ・Ｄ・ΔＰ・χ／（χ²＋ｈ²）^3/2；が極小となる幅以下である、燃料電池。 [Application Example 1] A fuel cell in which a power generation body in which a catalyst layer and a gas diffusion layer are laminated on both surfaces of an electrolyte membrane is sandwiched between separators, and the separator is in contact with the gas diffusion layer. The surface on the contact side is provided with a rib and a groove for constituting a gas flow path through which a reaction gas for power generation flows, and the width of the portion in contact with the gas diffusion layer in the rib is the same as the gas diffusion layer and the groove N is the molar flux of the reaction gas at the interface portion facing the center of the rib in the width direction across the gas diffusion layer, and the gas diffusion layer at the rib. ½ of the width of the abutting portion is χ, the equilibrium constant is K, the diffusion coefficient of the reaction gas is D, and the concentration of the reaction gas in the portion where the rib in the gas flow path is in contact with the gas diffusion layer And the gas When the difference between the concentration of the reaction gas at the interface portion facing the central portion in the width direction of the rib across the scattering layer is ΔP, and the thickness of the gas diffusion layer is h, dN / dχ = K · D · ΔP · χ / (χ ² + h ² ) ^3/2 ;

適用例１では、セパレータに形成されるリブにおけるガス拡散層と当接する部分の幅の上限値を規定した。適用例１の燃料電池によって、上記リブの幅を上記上限値よりも大きくした場合と比較して、セパレータに形成されたリブと当接するガス拡散層の領域への反応ガスの供給量を効果的に増加させて、触媒層全面への反応ガスの供給量の均一化を図ることができる。この結果、燃料電池の発電性能の向上を図ることができる。 In Application Example 1, the upper limit value of the width of the portion of the rib formed on the separator that contacts the gas diffusion layer is defined. The amount of reaction gas supplied to the region of the gas diffusion layer in contact with the rib formed on the separator is more effective than the case where the width of the rib is made larger than the upper limit value by the fuel cell of Application Example 1. The amount of reaction gas supplied to the entire surface of the catalyst layer can be made uniform. As a result, the power generation performance of the fuel cell can be improved.

［適用例２］適用例１記載の燃料電池であって、前記反応ガスは、酸素である、燃料電池。 Application Example 2 The fuel cell according to Application Example 1, wherein the reaction gas is oxygen.

燃料電池が備えるガス拡散層において、酸化剤ガスとして利用される酸素は、燃料ガスとして利用される水素と比較して、拡散しにくい。したがって、本発明を燃料電池の酸化剤ガス側（カソード側）に適用することが好適である。 In the gas diffusion layer provided in the fuel cell, oxygen used as an oxidant gas is less likely to diffuse than hydrogen used as a fuel gas. Therefore, it is preferable to apply the present invention to the oxidant gas side (cathode side) of the fuel cell.

［適用例３］適用例２記載の燃料電池であって、前記リブにおける前記ガス拡散層と当接する部分の幅は、１．４・ｈ以下である、燃料電池。 [Application Example 3] The fuel cell according to Application Example 2, wherein a width of a portion of the rib contacting the gas diffusion layer is 1.4 · h or less.

先に示した式から、上記リブにおける前記ガス拡散層と当接する部分の幅をガス拡散層の厚さｈの１．４倍以下とすることが好ましいことが分かった。 From the formula shown above, it was found that the width of the portion in contact with the gas diffusion layer in the rib is preferably 1.4 times or less the thickness h of the gas diffusion layer.

［適用例４］適用例１ないし３のいずれかに記載の燃料電池であって、前記リブ、および、前記ガス拡散層は、導電体からなり、前記リブにおける前記ガス拡散層と当接する部分の幅は、さらに、前記リブと前記ガス拡散層との接触抵抗と、前記リブの電気抵抗とを含む電気抵抗をＲ、前記リブのピッチの１／２をｐ、としたときに、Ｒ≒ｒ１・（ｐ−χ）^-2＋ｒ２・（ｐ−χ）^-1＋ｒ３・χ^-1＋ｒ４；（ｒ１〜ｒ４は、定数）によって算出される電気抵抗Ｒの値が、最小値の１．１倍以下となる幅である、燃料電池。 [Application Example 4] The fuel cell according to any one of Application Examples 1 to 3, wherein the rib and the gas diffusion layer are made of a conductor, and the rib is in contact with the gas diffusion layer. The width is further set to R≈r1 where R is an electrical resistance including a contact resistance between the rib and the gas diffusion layer and an electrical resistance of the rib, and p is a half of the pitch of the rib. (P−χ) ⁻² + r ² • (p−χ) ⁻¹ + r3 · χ ⁻¹ + r4; (where r1 to r4 are constants), the value of the electric resistance R is 1.1 times the minimum value A fuel cell having the following width.

適用例４では、セパレータに形成されるリブにおけるガス拡散層と当接する部分の幅の下限値を規定した。適用例４の燃料電池によって、セパレータに形成されたリブと当接するガス拡散層の領域への反応ガスの供給量を効果的に増加させて、触媒層全面への反応ガスの供給量の均一化を図るとともに、セパレータに形成されたリブとガス拡散層との接触抵抗の増大を抑制し、発電性能の低下を抑制することができる。 In Application Example 4, the lower limit value of the width of the portion in contact with the gas diffusion layer in the rib formed on the separator is defined. With the fuel cell of Application Example 4, the amount of reaction gas supplied to the gas diffusion layer region in contact with the rib formed on the separator is effectively increased, and the amount of reaction gas supplied to the entire surface of the catalyst layer is made uniform. In addition, an increase in contact resistance between the rib formed on the separator and the gas diffusion layer can be suppressed, and a decrease in power generation performance can be suppressed.

なお、本発明は、上述の燃料電池としての構成の他、燃料電池の製造方法の発明として構成することもできる。 The present invention can also be configured as an invention of a method for manufacturing a fuel cell in addition to the above-described configuration as a fuel cell.

本発明の一実施例としての燃料電池１００の概略構成を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows schematic structure of the fuel cell 100 as one Example of this invention. 燃料電池１００におけるカソード側のガス拡散層１６とカソード側セパレータ２０との当接部を拡大して示す説明図である。3 is an explanatory view showing, in an enlarged manner, a contact portion between a cathode-side gas diffusion layer 16 and a cathode-side separator 20 in the fuel cell 100. FIG. 酸素量（モル流束）Ｎとχとの関係を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the relationship between oxygen amount (molar flux) N and χ. 酸素量（モル流束）Ｎの変化率とχとの関係を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the relationship between the change rate of oxygen amount (molar flux) N, and (chi). 燃料電池１００におけるカソード側のガス拡散層１６とカソード側セパレータ２０との当接部を拡大して示す説明図である。3 is an explanatory view showing, in an enlarged manner, a contact portion between a cathode-side gas diffusion layer 16 and a cathode-side separator 20 in the fuel cell 100. FIG. 電気抵抗Ｒとχとの関係を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the relationship between electrical resistance R and χ. 酸素量（モル流束）Ｎとχとの関係と１／（電気抵抗Ｒ）とχとの関係を併せて示す説明図である。It is explanatory drawing which shows together the relationship between oxygen amount (molar flux) N and χ, and the relationship between 1 / (electric resistance R) and χ. 変形例としてのカソード側セパレータ２０の断面構造を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the cross-section of the cathode side separator 20 as a modification.

以下、本発明の実施の形態について、実施例に基づき説明する。
Ａ．燃料電池の構成：
図１は、本発明の一実施例としての燃料電池１００の概略構成を示す説明図である。ここでは、燃料電池１００の断面構造を模式的に示した。図示するように、この燃料電池１００は、膜電極接合体１０の両面を、カソード側セパレータ２０、および、アノード側セパレータ３０で挟持することによって構成されている。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described based on examples.
A. Fuel cell configuration:
FIG. 1 is an explanatory diagram showing a schematic configuration of a fuel cell 100 as one embodiment of the present invention. Here, the cross-sectional structure of the fuel cell 100 is schematically shown. As shown in the figure, the fuel cell 100 is configured by sandwiching both surfaces of a membrane electrode assembly 10 with a cathode side separator 20 and an anode side separator 30.

膜電極接合体１０は、プロトン伝導性を有する電解質膜１２の両面に、それぞれ、アノード、および、カソードを接合することによって構成されている。アノード、および、カソードは、それぞれ、触媒層１４と、ガス拡散層１６とを含んでいる。本実施例では、電解質膜１２として、ナフィオン（登録商標）等の固体高分子型の電解質膜を用いるものとした。電解質膜１２として、他の電解質膜を用いるものとしてもよい。また、本実施例では、ガス拡散層１６として、カーボンクロスを用いるものとした。ガス拡散層１６として、カーボンペーパ等、ガス拡散性、および、導電性を有する他の材料を用いるものとしてもよい。膜電極接合体１０は、本発明における発電体に相当する。 The membrane electrode assembly 10 is configured by joining an anode and a cathode to both surfaces of an electrolyte membrane 12 having proton conductivity, respectively. The anode and the cathode each include a catalyst layer 14 and a gas diffusion layer 16. In this embodiment, a solid polymer electrolyte membrane such as Nafion (registered trademark) is used as the electrolyte membrane 12. Other electrolyte membranes may be used as the electrolyte membrane 12. In this embodiment, carbon cloth is used as the gas diffusion layer 16. As the gas diffusion layer 16, other materials having gas diffusibility and conductivity such as carbon paper may be used. The membrane electrode assembly 10 corresponds to a power generator in the present invention.

アノード側セパレータ３０におけるアノード側のガス拡散層１６と当接する側の表面には、図示するように、リブ、および、溝が形成されており、この溝は、燃料ガスとしての水素、および、アノードから排出されるアノードオフガスを流すためのアノードガス流路３０ｐを構成する。また、カソード側セパレータ２０におけるカソード側のガス拡散層１６と当接する表面には、図示するように、リブ、および、溝が形成されており、この溝は、酸化剤ガスとしての空気、および、カソードから排出されるカソードオフガスを流すためのカソードガス流路２０ｐを構成する。なお、図示は省略しているが、カソード側セパレータ２０、および、アノード側セパレータ３０には、冷却水を流すための冷却水流路も形成されている。カソード側セパレータ２０、および、アノード側セパレータ３０の材料としては、カーボンや、金属など、導電性を有する種々の材料を適用可能である。 As shown in the figure, ribs and grooves are formed on the surface of the anode-side separator 30 on the side in contact with the anode-side gas diffusion layer 16, and these grooves are formed of hydrogen as fuel gas and anode. An anode gas flow path 30p for flowing the anode off gas discharged from the gas is constituted. Further, as shown in the figure, ribs and grooves are formed on the surface of the cathode-side separator 20 that is in contact with the cathode-side gas diffusion layer 16, and the grooves include air as an oxidant gas, and A cathode gas flow path 20p for flowing a cathode off gas discharged from the cathode is configured. Although not shown, the cathode side separator 20 and the anode side separator 30 are also formed with cooling water passages for flowing cooling water. As materials for the cathode-side separator 20 and the anode-side separator 30, various materials having conductivity such as carbon and metal can be applied.

Ｂ．セパレータに形成するリブの幅の設計：
セパレータの表面に形成されたリブおよび溝によってガス流路が形成される燃料電池では、上記リブがガス拡散層に当接するので、上記リブと当接するガス拡散層の領域への反応ガス（空気、および、水素）の供給量は、上記溝に対向する領域（上記リブと当接しない領域）におけるガス拡散層への供給量よりも少なくなる。このため、触媒層において、ガス拡散層を挟んで上記リブと対向する領域における発電量は、他の領域における発電量よりも少なくなり、燃料電池全体としての発電量の低下を招く。したがって、上記発電量の低下を抑制するためには、上記リブの幅を極力小さくすることが好ましい。しかし、ガス拡散層、および、上記リブは、それぞれ導電体からなり、上記リブの幅を小さくすれば、ガス拡散層１６とリブとの接触抵抗が増大するため、電池性能の低下を招く。 B. Design of the width of ribs formed on the separator:
In the fuel cell in which the gas flow path is formed by the ribs and grooves formed on the surface of the separator, the rib contacts the gas diffusion layer, so that the reaction gas (air, In addition, the supply amount of hydrogen is smaller than the supply amount to the gas diffusion layer in the region facing the groove (the region not in contact with the rib). For this reason, in the catalyst layer, the amount of power generation in the region facing the rib across the gas diffusion layer is smaller than the amount of power generation in the other regions, leading to a decrease in the power generation amount of the entire fuel cell. Therefore, in order to suppress the decrease in the power generation amount, it is preferable to reduce the width of the rib as much as possible. However, the gas diffusion layer and the rib are each made of a conductor, and if the width of the rib is reduced, the contact resistance between the gas diffusion layer 16 and the rib is increased, leading to a decrease in battery performance.

そこで、本実施例の燃料電池１００では、上述した燃料電池全体としての発電量の低下を抑制するとともに、セパレータに形成されたリブとガス拡散層との接触抵抗の増大を抑制して、発電性能の低下を抑制可能なように、セパレータに形成するリブの幅を設計した。なお、以下では、カソード側セパレータ２０について説明し、アノード側セパレータ３０についての説明は省略する。 Therefore, in the fuel cell 100 of the present embodiment, power generation performance is suppressed by suppressing a decrease in the amount of power generation as the whole fuel cell described above and suppressing an increase in contact resistance between the rib formed on the separator and the gas diffusion layer. The width of the rib formed on the separator was designed so that the decrease in the thickness could be suppressed. Hereinafter, the cathode separator 20 will be described, and the description of the anode separator 30 will be omitted.

図２は、燃料電池１００におけるカソード側のガス拡散層１６とカソード側セパレータ２０との当接部を拡大して示す説明図である。 FIG. 2 is an explanatory diagram showing an enlarged contact portion between the cathode-side gas diffusion layer 16 and the cathode-side separator 20 in the fuel cell 100.

図示するように、カソード側セパレータ２０には、カソードガス流路２０ｐを構成するためのリブ２０ｒおよび溝２０ｄが形成されている。ここで、リブ２０ｒのガス拡散層１６と当接する部分の幅（以下、リブ幅と呼ぶ）を２χ（ｍ）、膜電極接合体１０をカソード側セパレータ２０とアノード側セパレータ３０とによって挟持したときのガス拡散層１６の厚さをｈ（ｍ）とする。また、カソードガス流路２０ｐ内の、リブ２０ｒとガス拡散層１６との当接部におけるリブ２０ｒの幅方向の端部の点を点Ａ、カソード側のガス拡散層１６と触媒層１４との界面部位であって、ガス拡散層１６を挟んでリブ２０ｒの幅方向の中央部と対向する界面部位の点を点Ｂとする。なお、点Ａと、点Ｂとは、図示した同一面内における点である。そして、上述した点Ａと点Ｂとの距離をＬ（ｍ）とする。また、点Ｂにおける酸素量（モル流束）をＮ（ｍｏｌ／ｍ²・ｓ）、平衡定数をＫ、酸素の拡散係数をＤ（ｍ²／ｓ）、点Ａにおける酸素濃度と点Ｂにおける酸素濃度との差（濃度勾配）をΔＰ（ｍｏｌ／ｍ³）とする。 As shown in the figure, the cathode side separator 20 is formed with ribs 20r and grooves 20d for constituting a cathode gas flow path 20p. Here, the width of the portion of the rib 20r that contacts the gas diffusion layer 16 (hereinafter referred to as the rib width) is 2χ (m), and the membrane electrode assembly 10 is sandwiched between the cathode side separator 20 and the anode side separator 30. The thickness of the gas diffusion layer 16 is defined as h (m). Further, the point in the width direction of the rib 20r in the contact portion between the rib 20r and the gas diffusion layer 16 in the cathode gas flow path 20p is a point A, and the cathode-side gas diffusion layer 16 and the catalyst layer 14 are in contact with each other. A point at the interface part that is the interface part and faces the central portion in the width direction of the rib 20r across the gas diffusion layer 16 is defined as a point B. Note that the points A and B are points in the same plane as illustrated. The distance between point A and point B described above is L (m). The oxygen amount (molar flux) at point B is N (mol / m ² · s), the equilibrium constant is K, the oxygen diffusion coefficient is D (m ² / s), the oxygen concentration at point A and the point B The difference (concentration gradient) from the oxygen concentration is ΔP (mol / m ³ ).

このとき、点Ｂにおける酸素量（モル流束）Ｎは、以下に示す式（１）によって表される。
Ｎ＝Ｋ・Ｄ・ΔＰ／Ｌ・・・（１） At this time, the oxygen amount (molar flux) N at the point B is represented by the following equation (1).
N = K · D · ΔP / L (1)

そして、点Ａと点Ｂとの距離Ｌは、
Ｌ＝（χ²＋ｈ²）^1/2 ・・・（２）
であるから、式（１）、および、式（２）より、
Ｎ＝Ｋ・Ｄ・ΔＰ／（χ²＋ｈ²）^1/2；・・・（３）
となる。つまり、点Ｂにおける酸素量（モル流束）Ｎは、χの関数である。 And the distance L between point A and point B is
L = (χ ² + h ² ) ^1/2 (2)
Therefore, from the formula (1) and the formula (2),
N = K · D · ΔP / (χ ² + h ² ) ^1/2 ; (3)
It becomes. That is, the oxygen amount (molar flux) N at point B is a function of χ.

図３は、点Ｂにおける酸素量（モル流束）Ｎとχとの関係を示す説明図である。図示するように、リブ幅を小さくするほど、点Ｂにおける酸素量（モル流束）Ｎが増加することが分かる。 FIG. 3 is an explanatory diagram showing the relationship between the oxygen amount (molar flux) N at point B and χ. As shown in the drawing, it can be seen that the oxygen amount (molar flux) N at the point B increases as the rib width decreases.

次に、リブ幅を変化させると、点Ｂにおける酸素量（モル流束）Ｎの変化率が変化することに着目した。そして、上記式（３）の両辺をχで微分すると、
ｄＮ／ｄχ＝−Ｋ・Ｄ・ΔＰ・χ／（χ²＋ｈ²）^3/2 ・・・（４）
となる。 Next, it was noted that the rate of change of the oxygen amount (molar flux) N at point B changes when the rib width is changed. And when both sides of the above equation (3) are differentiated by χ,
dN / dχ = −K · D · ΔP · χ / (χ ² + h ² ) ^3/2 (4)
It becomes.

図４は、点Ｂにおける酸素量（モル流束）Ｎの変化率とχとの関係を示す説明図である。ここでは、−ｄＮ／ｄχとχとの関係を示した。この結果、−ｄＮ／ｄχが極大値をとる、すなわち、ｄＮ／ｄχが極小値をとるリブ幅（χ₁≒１．４・ｈ）で、最も効果的に、点Ｂにおける酸素量（モル流束）を増加させ、触媒層１４全面への酸素の供給量の均一化を図ることができることが分かった。なお、図３にも示したように、リブ幅を小さくするほど、点Ｂにおける酸素量（モル流束）Ｎが増加するが、リブ幅を、−ｄＮ／ｄχが極大値をとる（ｄＮ／ｄχが極小値をとる）χ₁値満にした場合には、点Ｂにおける酸素量（モル流束）Ｎを増加させる効果感度が低下する。以上の考察から、本実施例の燃料電池１００では、リブ２０ｒのリブ幅の上限値を２χ≒１．４・ｈ（ガス拡散層１６の厚さｈの１．４倍）とした。 FIG. 4 is an explanatory diagram showing the relationship between the change rate of the oxygen amount (molar flux) N at point B and χ. Here, the relationship between -dN / dχ and χ is shown. As a result, the amount of oxygen at the point B (molar flow) is most effectively obtained when the rib width (χ ₁ ≈1.4 · h) at which −dN / dχ has a maximum value, that is, dN / dχ has a minimum value. It has been found that the amount of oxygen supplied to the entire surface of the catalyst layer 14 can be made uniform by increasing the number of bundles). As shown in FIG. 3, as the rib width is reduced, the oxygen amount (molar flux) N at the point B increases, but the rib width is -dN / dχ has a maximum value (dN / dχ has the minimum value) when the chi ₁ NeMitsuru effectively sensitivity increasing oxygen amount at the point B (molar flux) N decreases. From the above consideration, in the fuel cell 100 of this example, the upper limit value of the rib width of the rib 20r was set to 2χ≈1.4 · h (1.4 times the thickness h of the gas diffusion layer 16).

次に、リブ２０ｒとガス拡散層１６との接触抵抗と、リブ２０ｒの電気抵抗とを含む電気抵抗を考慮したリブ２０ｒのリブ幅の下限値について説明する。 Next, the lower limit value of the rib width of the rib 20r in consideration of the electric resistance including the contact resistance between the rib 20r and the gas diffusion layer 16 and the electric resistance of the rib 20r will be described.

図５は、図２と同様に、燃料電池１００におけるカソード側のガス拡散層１６とカソード側セパレータ２０との当接部を拡大して示す説明図である。図中に、カソード側の１触媒層１４からカソード側セパレータ２０に流れる電流を太線矢印で模式的に示した。なお、カソード側セパレータ２０におけるリブ２０ｒのピッチは、２ｐとする。 FIG. 5 is an explanatory view showing, in an enlarged manner, the contact portion between the cathode-side gas diffusion layer 16 and the cathode-side separator 20 in the fuel cell 100, as in FIG. In the drawing, the current flowing from the cathode-side one catalyst layer 14 to the cathode-side separator 20 is schematically shown by a thick arrow. The pitch of the ribs 20r in the cathode side separator 20 is 2p.

図５において、カソード側の触媒層１４とガス拡散層１６との界面からカソード側セパレータ２０への電気抵抗Ｒは、概ね、リブ２０ｒを構成する材料のバルクの電気抵抗Ｒｂｍと、リブ２０ｒとガス拡散層１６との接触部２０ｃにおける接触抵抗Ｒｃと、ガス拡散層１６においてガス拡散層１６からリブ２０ｒに電流が集電される集電領域１６ｃの電気抵抗Ｒｇｆとの和であり、
Ｒ≒Ｒｂｍ＋Ｒｃ＋Ｒｇｆ・・・（５）
である。 In FIG. 5, the electrical resistance R from the interface between the cathode-side catalyst layer 14 and the gas diffusion layer 16 to the cathode-side separator 20 is approximately the bulk electrical resistance Rbm of the material constituting the rib 20r, the rib 20r and the gas. The sum of the contact resistance Rc at the contact portion 20c with the diffusion layer 16 and the electrical resistance Rgf of the current collecting region 16c where current is collected from the gas diffusion layer 16 to the rib 20r in the gas diffusion layer 16;
R≈Rbm + Rc + Rgf (5)
It is.

なお、Ｒｂｍは、リブ２０ｒのバルク特性と形状、および、χに依存する。また、Ｒｃは、面圧（膜電極接合体１０をカソード側セパレータ２０とアノード側セパレータ３０とによって挟持するときの圧力）、リブ２０ｒとガス拡散層１６との界面特性に依存するとともに、χ^-1に比例する成分を有する。また、Ｒｇｆは、上記面圧、ガス拡散層１６のバルク特性に依存するとともに、ガス拡散層１６の厚さ、（ｐ−χ）^-2に比例する成分と、（ｐ−χ）^-1に比例する成分とを有する。 Note that Rbm depends on the bulk characteristics and shape of the rib 20r and χ. Rc depends on the surface pressure (pressure when the membrane electrode assembly 10 is sandwiched between the cathode-side separator 20 and the anode-side separator 30), the interface characteristics between the rib 20r and the gas diffusion layer 16, and χ ^{− It} has a component proportional to ¹ . Rgf depends on the above-mentioned surface pressure and the bulk characteristics of the gas diffusion layer 16, the thickness of the gas diffusion layer 16, a component proportional to (p−χ) ⁻² , and (p−χ) ⁻¹ . And a proportional component.

したがって、式（５）を、χに依存しない成分を定数Ｒ₀として整理すると、
Ｒ（χ）≒Ｒｂｍ（χ）＋Ｒｃ（χ）＋Ｒｇｆ（χ）＋Ｒ₀ ・・・（６）
と表すことができる。 Therefore, when formula (5) is rearranged as a constant R ₀ for a component that does not depend on χ,
R (χ) ≈Rbm (χ) + Rc (χ) + Rgf (χ) + R ₀ (6)
It can be expressed as.

また、先述したように、Ｒｃは、χ^-1に比例する成分を有し、
Ｒｃ（χ）＝ｋ１χ^-1＋ｋ２・・・（７）
と表すことができる（なお、ｋ１，ｋ２は、定数）。 Further, as described above, Rc has a component proportional to χ ⁻¹ ,
Rc (χ) = k1χ ⁻¹ + k2 (7)
(K1 and k2 are constants).

また、先述したように、Ｒｇｆは、（ｐ−χ）^-2に比例する成分と、（ｐ−χ）^-1に比例する成分とを有し、
Ｒｇｆ（χ）＝ｋ３（ｐ−χ）^-2＋ｋ４（ｐ−χ）^-1＋ｋ５・・・（８）
と表すことができる（なお、ｋ３，ｋ４，ｋ５は、定数）。 Further, as described above, Rgf has a component proportional to (p−χ) ⁻² and a component proportional to (p−χ) ⁻¹ .
Rgf (χ) = k3 (p−χ) ⁻² + k4 (p−χ) ⁻¹ + k5 (8)
(K3, k4, and k5 are constants).

そして、Ｒｂｍ（χ）＜＜Ｒ、すなわち、Ｒｂｍ（χ）がＲと比較して十分に小さいことを考慮して、式（７），（８）を用いて式（６）を整理すると、
Ｒ≒ｋ３（ｐ−χ）^-2＋ｋ４（ｐ−χ）^-1＋ｋ１χ^-1＋Ｒｐ・・・（９）
と表すことができる（なお、Ｒｐは、Ｒ₀，ｋ５を含む定数項）。つまり、上述した電気抵抗Ｒは、χの関数である。上記式（９）において、ｋ３，ｋ４，ｋ１，Ｒｐは、それぞれ、請求項４に記載された式におけるｒ１，ｒ２，ｒ３，ｒ４に相当する。 Then, considering Rbm (χ) << R, that is, Rbm (χ) is sufficiently smaller than R, formula (6) is rearranged using formulas (7) and (8).
R≈k3 (p−χ) ⁻² + k4 (p−χ) ⁻¹ + k1χ ⁻¹ + Rp (9)
(Rp is a constant term including R ₀ and k5). That is, the electrical resistance R described above is a function of χ. In the above equation (9), k3, k4, k1, and Rp correspond to r1, r2, r3, and r4 in the equation described in claim 4, respectively.

図６は、上述した電気抵抗Ｒとχとの関係を示す説明図である。ここでは、０＜χ＜ｐの範囲における電気抵抗Ｒとχとの関係を示した。図示するように、χが０に近づくほど、電気抵抗Ｒが大きくなり、χが大きくなるほど、電気抵抗Ｒは定数項Ｒｐに近づくことが分かる。そして、本実施例の燃料電池１００では、リブ２０ｒのリブ幅の下限値を、上述した電気抵抗Ｒが１．１・Ｒｐ（電気抵抗Ｒの最小値Ｒｐの１．１倍）となるリブ幅χ₂とした。図６から分かるように、リブ２０ｒのリブ幅を、χ₂未満とすると、電気抵抗Ｒが急激に増大して、燃料電池１００の電池性能を著しく低下させるからである。 FIG. 6 is an explanatory diagram showing the relationship between the electrical resistance R and χ described above. Here, the relationship between the electrical resistance R and χ in the range of 0 <χ <p is shown. As shown in the figure, it can be seen that the electrical resistance R increases as χ approaches 0, and the electrical resistance R approaches the constant term Rp as χ increases. In the fuel cell 100 of the present embodiment, the rib width at which the above-described electric resistance R is 1.1 · Rp (1.1 times the minimum value Rp of the electric resistance R) is set as the lower limit value of the rib width of the rib 20r. χ ₂ was set. As can be seen from FIG. 6, if the rib width of the rib 20 r is less than χ ₂ , the electric resistance R increases abruptly and the cell performance of the fuel cell 100 is significantly reduced.

図７は、先に図３に示した点Ｂにおける酸素量（モル流束）Ｎとχとの関係と、１／（電気抵抗Ｒ）とχとの関係を併せて示す説明図である。先に図２，３を用いて説明したリブ２０ｒの上限値の設計方法、および、図５，６を用いて説明したリブ２０ｒのリブ幅の下限値の設計方法から、本実施例の燃料電池１００では、リブ２０ｒのリブ幅を下限値χ₂から上限値χ₁の間で設定するものとした。 FIG. 7 is an explanatory view showing the relationship between the oxygen amount (molar flux) N and χ at point B shown in FIG. 3 and the relationship between 1 / (electric resistance R) and χ. From the method for designing the upper limit value of the rib 20r described above with reference to FIGS. 2 and 3 and the method for designing the lower limit value of the rib width of the rib 20r described with reference to FIGS. In 100, the rib width of the rib 20r is set between the lower limit value χ ₂ and the upper limit value χ ₁ .

以上説明した条件を満たす本実施例の燃料電池１００によれば、カソード側セパレータ２０に形成されたリブ２０ｒと当接するガス拡散層１６の領域への酸素の供給量を増加させて、触媒層１４全面への酸素の供給量の均一化を図るとともに、カソード側セパレータ２０に形成されたリブ２０ｒとガス拡散層１６との接触抵抗の増大を抑制し、発電性能の低下を抑制することができる。 According to the fuel cell 100 of the present embodiment that satisfies the conditions described above, the amount of oxygen supplied to the region of the gas diffusion layer 16 in contact with the rib 20r formed on the cathode-side separator 20 is increased, so that the catalyst layer 14 While uniformizing the supply amount of oxygen to the entire surface, it is possible to suppress an increase in contact resistance between the rib 20r formed on the cathode-side separator 20 and the gas diffusion layer 16 and to suppress a decrease in power generation performance.

Ｂ．変形例：
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこのような実施の形態になんら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において種々なる態様での実施が可能である。例えば、以下のような変形が可能である。 B. Variation:
Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to such embodiments, and can be implemented in various modes without departing from the scope of the present invention. For example, the following modifications are possible.

Ｂ１．変形例１：
上記実施例では、本発明のセパレータの設計方法を、カソード側セパレータ２０に適用した場合を一例として説明したが、アノード側セパレータ３０にも適用するようにしてもよい。 B1. Modification 1:
In the above embodiment, the case where the separator design method of the present invention is applied to the cathode side separator 20 has been described as an example. However, the separator design method may be applied to the anode side separator 30 as well.

Ｂ２．変形例２：
上記実施例では、図１，２，５に示したように、カソード側セパレータ２０、および、アノード側セパレータ３０の製造に際し、ブロック形状を有する導電性部材に、例えば、切削加工によって、リブおよび溝を形成するものとしたが、本発明は、これに限られない。 B2. Modification 2:
In the above embodiment, as shown in FIGS. 1, 2, and 5, in manufacturing the cathode separator 20 and the anode separator 30, ribs and grooves are formed on the conductive member having a block shape by, for example, cutting. However, the present invention is not limited to this.

図８は、変形例としてのカソード側セパレータ２０Ａの断面構造を示す説明図である。図示するように、このカソード側セパレータ２０Ａは、平板２２と波板２４とを互いに接合することによって製造される。なお、平板２２と波板２４とによって形成される空隙２０ｗは、例えば、冷却水が流れる冷却水流路として利用することができる。このような形状を有するカソード側セパレータ２０Ａにおいて、本実施例の燃料電池１００におけるカソード側セパレータ２０と同様の効果を奏するリブ幅の設計が可能である。 FIG. 8 is an explanatory view showing a cross-sectional structure of a cathode-side separator 20A as a modification. As illustrated, the cathode separator 20A is manufactured by joining a flat plate 22 and a corrugated plate 24 together. In addition, the space | gap 20w formed by the flat plate 22 and the corrugated sheet 24 can be utilized as a cooling water flow path through which cooling water flows, for example. In the cathode side separator 20A having such a shape, it is possible to design a rib width that exhibits the same effect as the cathode side separator 20 in the fuel cell 100 of the present embodiment.

１００…燃料電池
１０…膜電極接合体
１２…電解質膜
１４…触媒層
１６…ガス拡散層
２０，２０Ａ…カソード側セパレータ
２０ｐ…カソードガス流路
２０ｒ…リブ
２０ｄ…溝
２２…平板
２４…波板
２０ｗ…空隙（冷却水流路）
３０…アノード側セパレータ
３０ｐ…アノードガス流路 DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 ... Fuel cell 10 ... Membrane electrode assembly 12 ... Electrolyte membrane 14 ... Catalyst layer 16 ... Gas diffusion layer 20, 20A ... Cathode side separator 20p ... Cathode gas flow path 20r ... Rib 20d ... Groove 22 ... Flat plate 24 ... Corrugated plate 20w ... Gap (cooling water flow path)
30 ... Anode separator 30p ... Anode gas flow path

Claims

電解質膜の両面に、それぞれ、触媒層、および、ガス拡散層を積層してなる発電体を、セパレータによって挟持した燃料電池であって、
前記セパレータは、前記ガス拡散層と当接する側の表面に、発電に供する反応ガスが流れるガス流路を構成するためのリブおよび溝を備えており、
前記リブにおける前記ガス拡散層と当接する部分の幅は、
前記ガス拡散層と前記触媒層との界面部位であって、前記ガス拡散層を挟んで前記リブの幅方向の中央部と対向する前記界面部位における前記反応ガスのモル流束をＮ、前記リブにおける前記ガス拡散層と当接する部分の幅の１／２をχ、平衡定数をＫ、前記反応ガスの拡散係数をＤ、前記ガス流路内の前記リブと前記ガス拡散層とが当接する部分における前記反応ガスの濃度と前記ガス拡散層を挟んで前記リブの幅方向の中央部と対向する前記界面部位における前記反応ガスの濃度との差をΔＰ、前記ガス拡散層の厚さをｈ、としたときに、
ｄＮ／ｄχ＝Ｋ・Ｄ・ΔＰ・χ／（χ²＋ｈ²）^3/2；
が極小となる幅以下である、
燃料電池。 A fuel cell in which a power generation body formed by laminating a catalyst layer and a gas diffusion layer on both surfaces of an electrolyte membrane is sandwiched between separators,
The separator includes ribs and grooves for forming a gas flow path through which a reaction gas used for power generation flows, on the surface in contact with the gas diffusion layer.
The width of the portion in contact with the gas diffusion layer in the rib is
The molar flux of the reaction gas at the interface portion between the gas diffusion layer and the catalyst layer and facing the central portion in the width direction of the rib across the gas diffusion layer is N, the rib ½ of the width of the portion in contact with the gas diffusion layer in FIG. 3, K is the equilibrium constant, D is the diffusion coefficient of the reaction gas, and the portion in which the rib in the gas flow path contacts the gas diffusion layer ΔP is the difference between the concentration of the reaction gas and the concentration of the reaction gas at the interface portion facing the central portion in the width direction of the rib across the gas diffusion layer, h is the thickness of the gas diffusion layer, And when
dN / dχ = K · D · ΔP · χ / (χ ² + h ² ) ^3/2 ;
Is less than the minimum width,
Fuel cell.

請求項１記載の燃料電池であって、
前記反応ガスは、酸素である、
燃料電池。 The fuel cell according to claim 1, wherein
The reactive gas is oxygen;
Fuel cell.

請求項２記載の燃料電池であって、
前記リブにおける前記ガス拡散層と当接する部分の幅は、１．４・ｈ以下である、
燃料電池。 The fuel cell according to claim 2, wherein
The width of the portion in contact with the gas diffusion layer in the rib is 1.4 · h or less,
Fuel cell.

請求項１ないし３のいずれかに記載の燃料電池であって、
前記リブ、および、前記ガス拡散層は、導電体からなり、
前記リブにおける前記ガス拡散層と当接する部分の幅は、さらに、
前記リブと前記ガス拡散層との接触抵抗と、前記リブの電気抵抗とを含む電気抵抗をＲ、前記リブのピッチの１／２をｐ、としたときに、
Ｒ≒ｒ１・（ｐ−χ）^-2＋ｒ２・（ｐ−χ）^-1＋ｒ３・χ^-1＋ｒ４；
（ｒ１〜ｒ４は、定数）
によって算出される電気抵抗Ｒの値が、最小値の１．１倍以下となる幅である、
燃料電池。 A fuel cell according to any one of claims 1 to 3,
The rib and the gas diffusion layer are made of a conductor,
The width of the portion in contact with the gas diffusion layer in the rib is further,
When the electrical resistance including the contact resistance between the rib and the gas diffusion layer and the electrical resistance of the rib is R, and 1/2 of the pitch of the rib is p,
R≈r1 · (p−χ) ⁻² + r2 · (p−χ) ⁻¹ + r3 · χ ⁻¹ + r4;
(R1 to r4 are constants)
The value of the electrical resistance R calculated by is a width that is 1.1 times or less of the minimum value.
Fuel cell.