JP4447204B2

JP4447204B2 - Fuel cell with metal separator

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Publication number: JP4447204B2
Application number: JP2002270229A
Authority: JP
Inventors: 敏幸稲垣; 剛高橋; 勉越智; 克宏梶尾; 光悦日比野; 康之浅井; 一新曽; 稔幸鈴木; 裕一八神; 三喜男和田; 治久新美
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2001-10-01
Filing date: 2002-09-17
Publication date: 2010-04-07
Anticipated expiration: 2022-09-17
Also published as: JP2003178776A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、メタルセパレータを備えた燃料電池（たとえば、固体高分子電解質型燃料電池）に関する。
【０００２】
【従来の技術】
【特許文献１】
特開２０００−２２８２０７号公報
【０００３】
固体高分子電解質型燃料電池は、膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly ）とセパレータとからなるモジュールを積層したものからなる。ＭＥＡは、イオン交換膜からなる電解質膜とこの電解質膜の一面に配置された触媒層からなる電極（アノード、燃料極）および電解質膜の他面に配置された触媒層からなる電極（カソード、空気極）とからなる。アノード側触媒層とセパレータとの間、およびカソード側触媒層とセパレータとの間には、拡散層が設けられる。ＭＥＡのアノード側のセパレータにはアノードに燃料ガス（水素）を供給する燃料ガス流路が形成されており、ＭＥＡのカソード側のセパレータにはカソードに酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給する酸化ガス流路が形成されている。モジュール積層体のモジュール積層方向両端に、ターミナル、インシュレータ、エンドプレートを配置してスタックが構成され、スタックがモジュール積層方向に締め付けられ、モジュール積層体の外側でモジュール積層方向に延びる締結部材（たとえば、テンションプレート）とボルトにて固定される。
固体高分子電解質型燃料電池では、アノード側では、水素を水素イオンと電子にする反応が行われ、水素イオンは電解質膜中をカソード側に移動し、カソード側では酸素と水素イオンおよび電子（隣りのＭＥＡのアノードで生成した電子がセパレータを通してくる、またはモジュール積層体の一端のセルのアノードで生成した電子が外部回路を通してモジュール積層体の他端のセルのカソードにくる）から水を生成する反応が行われる。
アノード側：Ｈ₂→２Ｈ⁺＋２ｅ^-
カソード側：２Ｈ⁺＋２ｅ^-＋（１／２）Ｏ₂→Ｈ₂Ｏ
ジュール熱とカソードでの水生成反応での熱を冷却するために、セパレータ間には、冷媒（通常は冷却水）が流れる冷媒流路が形成されており、燃料電池を冷却している。
特開２０００−２２８２０７公報は、セパレータをメタルからプレス成形にて形成し、おもて面に反応ガスを、背面に冷却水を流すメタルセパレータを開示している。該公報のセパレータでは、図面より、冷媒流路幅はガス流路幅より大になっている。また、該公報以外でも、メタルセパレータの場合は、実際の製作において、冷媒流路幅はガス流路幅より大になっている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、メタルセパレータのようにプレス成形で流路を形成するセパレータでは、おもて面にガス流路を形成すると、背面の冷媒流路は一義的に流路幅、流路断面積が定まる。その場合、従来のように冷媒流路幅をガス流路幅に比べて大きくとると、つぎの問題が生じる。
(i) 冷媒流路の溝底部のセパレータ部分は拡散層を押し付けガスの触媒層への拡散を悪くする部分であるから、冷媒流路幅が増えると、セル面積のうち発電面積として有効利用できる面積が減少する。
(ii)冷却水量が多くなり、メタルは熱伝導がよいので、冷却しすぎとなる。冷却しすぎは、酸化ガス下流部でフラッディングを起こしやすい。また、冷却水量が多くなり、水の熱容量が大きくなって、冷却制御性が悪くなる場合がある。
本発明の目的は、流路がプレスで形成されたメタルセパレータを備えた燃料電池であって、発電面積として有効利用できる面積を増大でき、かつ、燃料電池の過剰冷却を防止できる、メタルセパレータを備えた燃料電池を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明はつぎの通りである。
一面にガス流路が形成され他面に冷媒流路が形成された部分を有し該部分がプレスで形成されているメタルセパレータを備え、モジュール間でメタルセパレータがガス流路溝底部で互いに接している、メタルセパレータを備えた燃料電池において、
前記メタルセパレータは、
ガス流路の深さ方向両端部位のメタルセパレータ湾曲部を除いてガス流路の深さ方向にガス流路幅が一定とされており、
ガス流路の深さの中間点位置での、ガス流路幅ｄ_G、およびガス流路ピッチＤからガス流路幅ｄ_Gを差し引いた冷媒流路幅ｄ_Wが、
ｄ_G≧ｄ_W
の関係を満足していることを特徴とするメタルセパレータを備えた燃料電池。
【０００６】
上記のメタルセパレータを備えた燃料電池では、ｄ_G≧ｄ_Wとしてあるため、冷媒流路幅が従来より小さくなる。
冷媒流路幅が小さくなることによって、セパレータ冷媒流路溝底部によって押される拡散層の面積が減少し、触媒層へのガス拡散の悪い部分の面積が減少し、その結果、セル面積のうち発電に有効に活用される部分（ガスが十分に拡散供給される触媒層部分）の面積が増大する。
また、冷媒流路幅が小さくなることによって、冷却水量が低減し、セルの過剰冷却がなくなるとともに、冷却水の熱容量も小さくなり制御性がよくなる。過剰冷却を防止することによって、生成水による酸化ガス下流部におけるフラッディングも抑制される。
上記の燃料電池セパレータでは、流路形成部分が熱伝導率が大のため、冷却が過剰になりやすいが、上記の条件を満足していることが前提となっているので、冷却水量が小であり、過剰冷却を防止できる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明のメタルセパレータを備えた燃料電池を図１〜図３を参照して、説明する。
本発明のメタルセパレータを備えた燃料電池は固体高分子電解質型燃料電池１０である。本発明の燃料電池１０は、たとえば燃料電池自動車に搭載される。ただし、自動車以外に用いられてもよい。
【０００８】
固体高分子電解質型燃料電池１０は、図１〜図３に示すように、膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly ）とセパレータ１８とからなるモジュール１９を積層したものからなる。ＭＥＡは、イオン交換膜からなる電解質膜１１と、この電解質膜１１の一面に配置された触媒層１２からなる電極１４（アノード、燃料極）および電解質膜１１の他面に配置された触媒層１５からなる電極１７（カソード、空気極）とからなる。アノード側触媒層１２とセパレータ１８との間には拡散層１３が設けられ、カソード側触媒層１５とセパレータ１８との間には拡散層１６が設けられる。拡散層１３はアノード１４の一部と考えてもよいし、拡散層１６はカソード１７の一部と考えてもよい。モジュール積層体のモジュール積層方向両端に、ターミナル２０、インシュレータ２１、エンドプレート２２を配置してスタック２３が構成され、スタック２３は、モジュール積層方向に締め付けられ、モジュール積層体の外側でモジュール積層方向に延びる締結部材２４（たとえば、テンションプレート）とボルト２５にて固定される。
【０００９】
ＭＥＡのアノード１４側のセパレータ１８にはアノード１４に燃料ガス（水素）を供給する燃料ガス流路２７が形成されており、ＭＥＡのカソード１７側のセパレータ１８にはカソード１７に酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給する酸化ガス流路２８が形成されている。
冷媒流路２６は隣接するモジュールのセパレータ１８間に設けられ、冷媒流路２６には冷媒（通常、冷却水）が流されて、ジュール熱および反応熱で温度が上昇しようとする燃料電池を冷却する。冷媒流路２６は、セパレータ１８の、ガス流路（燃料ガス流路２７または酸化ガス流路２８）が設けられる側の面（おもて側面）と反対側の面（背面）に設けられている。
【００１０】
触媒層１２、１５は、触媒成分、たとえば白金（Ｐｔ）と、触媒成分を担持するカーボン（Ｃ）と、電解質とからなる。
拡散層１３、１６はカーボン（Ｃ）が主成分であり、通気性を有する。
セパレータ１８は、一面にガス流路（燃料ガス流路２７または酸化ガス流路２８）が形成され他面に冷媒流路２６が形成されプレスで形成された部分（１８Ａまたは１８Ｂ）を有する。プレスで形成された部分（１８Ａまたは１８Ｂ）は、たとえばメタルからなる。ただし、プレスで形成された部分（１８Ａまたは１８Ｂ）はメタルに限るものではなく、導電性樹脂をプレスで成形したものなどであってもよい。以下は、プレスで形成された部分（１８Ａまたは１８Ｂ）がメタルからなる場合を例にとる。
【００１１】
プレスで形成された部分（１８Ａまたは１８Ｂ）がメタルからなる場合、セパレータ１８は、メタルセパレータ１８Ａ、１８Ｂと樹脂フレーム１８Ｃ、１８Ｄとからなる。
図３に示すように、セパレータ１８でＭＥＡを挟む際、ＭＥＡに対応する部分が中抜きされた樹脂フレーム１８Ｃ、１８Ｄをメタルセパレータ１８Ａ、１８ＢのＭＥＡ側にそれぞれ配して、メタルセパレータ１８Ａ、樹脂フレーム１８Ｃ、ＭＥＡ、樹脂フレーム１８Ｄ、メタルセパレータ１８Ｂの順に積層する。ＭＥＡの部分は、樹脂フレーム１８Ｃ、１８Ｄが中抜きされているので、メタルセパレータ１８Ａ、ＭＥＡ、メタルセパレータ１８Ｂの順で積層されており、樹脂フレーム１８Ｃ、１８Ｄの部分は、ＭＥＡが張り出していないので、メタルセパレータ１８Ａ、樹脂フレーム１８Ｃ、樹脂フレーム１８Ｄ、メタルセパレータ１８Ｂの順で積層されている。ＭＥＡの部分は、燃料電池の発電部を構成する。
【００１２】
メタルセパレータ１８Ａ、１８Ｂは、不透過性で、たとえば金属板（たとえば、ステンレス板）に良導電性金属をメッキ（たとえば、ニッケルメッキ）したものからなる。
メタルセパレータ１８Ａおよび樹脂フレーム１８Ｃは、燃料ガス（たとえば、水素）と冷媒（たとえば、冷却水）を分離し、メタルセパレータ１８Ｂおよび樹脂フレーム１８Ｄは、酸化ガス（たとえば、酸素、通常は空気）と冷媒を分離する。また、メタルセパレータ１８Ａ、１８Ｂは、隣り合うセルのアノードからカソードに電子が流れる電気の通路を形成している。
【００１３】
メタルセパレータ１８Ａのうち燃料電池発電部対応部の一面（ＭＥＡに対向する側の面）には、燃料ガス流路２７が形成され、裏面には冷媒流路（冷却水流路）２６が形成されている。同様に、メタルセパレータ１８Ｂのうち燃料電池発電部対応部の一面（ＭＥＡに対向する側の面）には、酸化ガス流路２８が形成され、裏面には冷媒流路（冷却水流路）２６が形成されている。ガス流路の凹凸はプレス成形によって形成される。
【００１４】
メタルセパレータ１８Ａ、１８Ｂおよび樹脂フレーム１８Ｃ、１８Ｄの、燃料電池発電部（ＭＥＡのある部分）を挟んで互いに対向する対向部３０、３１には、冷媒流路２６に接続する冷媒マニホルド３２、燃料ガス流路２７に接続する燃料ガスマニホルド３３、酸化ガス流路２８に接続する酸化ガスマニホルド３４が形成されている。燃料電池発電部対応部を挟んで互いに対向する対向部３０、３１の一方３０には、入り側の冷媒マニホルド３２ａ、出側の燃料ガスマニホルド３３ｂ、入り側の酸化ガスマニホルド３４ａが設けられ、他方３１には、出側の冷媒マニホルド３２ｂ、入り側の燃料ガスマニホルド３３ａ、出側の酸化ガスマニホルド３４ｂが設けられる。
それぞれの入り側マニホルドと発電部流路との間には流れをマニホルド長から燃料電池発電部全幅に拡げる整流部３５が設けられ、それぞれの出側マニホルドと発電部流路との間には流れを燃料電池発電部全幅からマニホルド長に縮小する流れ整流部３６が設けられる。冷却水流路、燃料ガス流路、空気流路は、互いにシールされる。図３の３７はモジュール間の冷媒シール用のシール材である。
【００１５】
図３（図２のＡ−Ａ線に沿って見た断面）に示すように、一面にガス流路２７または２８が形成され他面に冷媒流路２６が形成され該部分がプレスで形成されているセパレータ１８Ａ、１８Ｂにおける、ガス流路幅（燃料ガス流路幅、酸化ガス流路幅）をｄ_G、冷媒流路幅をｄ_Wとした場合、それらのパラメータは、
ｄ_G≧ｄ_W
の関係を満足している。そして、ピッチＤ（ガス流路のピッチ＝冷媒流路のピッチ）は、
Ｄ＝ｄ_G＋ｄ_W
である。なお、上記において、ガス流路幅ｄ_G、冷媒流路幅ｄ_Wは、流路の深さ方向に流路の深さの中間点（深さをｈとすると１／２ｈの点）での流路幅、または、ＭＥＡに接する面での、流路幅とする。
そして、図示例では、一面にガス流路が形成され他面に冷媒流路が形成されたセパレータ１８Ａ、１８Ｂは、高熱伝導材であるメタルからなっている。
【００１６】
つぎに、本発明のメタルセパレータを備えた燃料電池の作用を説明する。
従来セパレータでは、ｄ_G＜ｄ_Wであったが、本発明のメタルセパレータを備えた燃料電池では、ｄ_G≧ｄ_Wとしてあるため、ガス流路幅ｄ_Gが本発明と従来とで同じ場合には、冷媒流路幅ｄ_Wが従来より小さくなる。また、ピッチＤが本発明と従来とで同じ場合には、冷媒流路幅ｄ_Wが従来より小さくなり、ガス流路幅ｄ_Gは従来より大きくなる。
【００１７】
冷媒流路幅ｄ_Wが小さくなることによって、セパレータ冷媒流路溝底部によって押される拡散層１３、１６の面積が減少し（拡散層のうち押されて密度が高くなった部分はガス拡散性が悪くなるが、拡散層のうち押されて拡散性が悪くなる部分の面積が減少し）、触媒層１２、１５へのガス拡散の悪い部分の面積が減少し、その結果、セル面積のうち発電に有効に活用される部分（ガスが十分に拡散供給される触媒層部分）の面積が増大する。
また、冷媒流路幅ｄ_Wが小さくなることによって、冷却水量が低減し、セルの過剰冷却がなくなるとともに、冷却水の熱容量も小さくなり制御性がよくなる。また、過剰冷却を防止することによって、生成水による酸化ガス下流部におけるフラッディングも抑制される。過冷却の場合は、飽和蒸気圧がさがって、水が生成されやすいが、過剰冷却を防止することにより、水の生成を抑制できる。
【００１８】
メタルセパレータ１８Ａ、１８Ｂでは、流路形成部分がメタルからなっているので、メタルが熱伝導率が大でかつ熱容量も比較的小さいため、冷却が過剰になりやすいが、ｄ_G≧ｄ_Wの条件を満足している限りは、冷却水量が小であり、過剰冷却を防止できる。
【００１９】
【発明の効果】
請求項１のメタルセパレータを備えた燃料電池によれば、ｄ_G≧ｄ_Wとしたため、冷媒流路幅ｄ_Wを従来より小さくできる。
冷媒流路幅が小さくなることによって、セパレータ冷媒流路溝底部によって押される拡散層の面積が減少し、セル面積のうち発電に有効に活用される部分（ガスが十分に拡散供給される触媒層部分）の面積を増大できる。
また、冷媒流路幅が小さくなることによって、冷却水量が低減するので、セルの過剰冷却がなくすことができ、酸化ガス下流部におけるフラッディングを抑制できるとともに、冷却制御性をよくすることができる。
また、流路形成部分が高熱伝導材であるにもかかわらず、ｄ_G≧ｄ_Wの条件を満足しているので、冷却水量が小であり、過剰冷却を防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のメタルセパレータを備えた燃料電池の全体概略図である。
【図２】本発明のメタルセパレータを備えた燃料電池の１モジュール分の分解斜視図である。
【図３】本発明のメタルセパレータを備えた燃料電池の一部の２モジュール分の拡大断面図である。
【符号の説明】
１０（固体高分子電解質型）燃料電池
１１電解質膜
１２触媒層
１３拡散層
１４電極（アノード、燃料極）
１５触媒層
１６拡散層
１７電極（カソード、空気極）
１８セパレータ
１８Ａ燃料ガスと冷却水とを区画するメタルセパレータ
１８Ｂ酸化ガスと冷却水とを区画するメタルセパレータ
１８Ｃ樹脂フレーム
１８Ｄ樹脂フレーム
１９モジュール
２０ターミナル
２１インシュレータ
２２エンドプレート
２３スタック
２４締結部材（テンションプレート）
２５ボルトまたはナット
２６冷媒流路（冷却水流路）
２７燃料ガス流路
２８酸化ガス流路
３０、３１対向部
３２冷媒（冷却水）マニホルド
３２ａ入り側の冷媒マニホルド
３２ｂ出側の冷媒マニホルド
３３燃料ガスマニホルド
３３ａ入り側の燃料ガスマニホルド
３３ｂ出側の燃料ガスマニホルド
３４酸化ガス（空気）マニホルド
３４ａ入り側の酸化ガスマニホルド
３４ｂ出側の酸化ガスマニホルド
３５整流部
３６整流部
３７シール部材（冷媒シール用）[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel cell comprising a metal separator (e.g., a solid polymer electrolyte fuel cell).
[0002]
[Prior art]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Laid-Open No. 2000-228207
A solid polymer electrolyte fuel cell is formed by laminating a module comprising a membrane-electrode assembly (MEA) and a separator. The MEA includes an electrolyte membrane made of an ion exchange membrane, an electrode (anode, fuel electrode) made of a catalyst layer disposed on one surface of the electrolyte membrane, and an electrode made of a catalyst layer placed on the other surface of the electrolyte membrane (cathode, air). Poles). A diffusion layer is provided between the anode side catalyst layer and the separator and between the cathode side catalyst layer and the separator. A fuel gas flow path for supplying fuel gas (hydrogen) to the anode is formed in the separator on the anode side of the MEA, and oxidizing gas (oxygen, usually air) is supplied to the cathode on the separator on the cathode side of the MEA. An oxidizing gas flow path is formed. A stack is configured by arranging terminals, insulators, and end plates at both ends of the module stack in the module stacking direction, the stack is tightened in the module stacking direction, and a fastening member (e.g., extending in the module stacking direction outside the module stack) Tension plate) and bolts.
In a solid polymer electrolyte fuel cell, a reaction for converting hydrogen into hydrogen ions and electrons is performed on the anode side, the hydrogen ions move through the electrolyte membrane to the cathode side, and oxygen, hydrogen ions and electrons (adjacent to the cathode side). Of water generated from the anode of the MEA's anode through the separator, or the electron generated at the anode of the cell at one end of the module stack through an external circuit to the cathode of the cell at the other end of the module stack) Is done.
Anode side: H ₂ → 2H ⁺ + 2e ⁻
Cathode side: 2H ⁺ + 2e ⁻ + (1/2) O ₂ → H ₂ O
In order to cool the Joule heat and the heat in the water generation reaction at the cathode, a refrigerant flow path through which a refrigerant (usually cooling water) flows is formed between the separators to cool the fuel cell.
Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-228207 discloses a metal separator in which a separator is formed from a metal by press molding, a reaction gas is supplied to the front surface, and cooling water is supplied to the back surface. In the separator of this publication, the refrigerant flow path width is larger than the gas flow path width from the drawing. In addition to this publication, in the case of a metal separator, the refrigerant flow path width is larger than the gas flow path width in actual production.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, in a separator that forms a flow path by press molding, such as a metal separator, when a gas flow path is formed on the front surface, the flow path width and flow path cross-sectional area of the refrigerant flow path on the back surface are uniquely determined. In that case, if the refrigerant flow path width is made larger than the gas flow path width as in the prior art, the following problem occurs.
(i) Since the separator part at the bottom of the groove of the refrigerant flow path is a part that presses the diffusion layer and makes the diffusion of the gas into the catalyst layer worse, if the refrigerant flow path width increases, it can be effectively used as a power generation area in the cell area The area is reduced.
(ii) The amount of cooling water increases, and the metal has good heat conduction, so it is overcooled. Too much cooling tends to cause flooding downstream of the oxidizing gas. In addition, the amount of cooling water increases, the water heat capacity increases, and cooling controllability may deteriorate.
An object of the present invention is a fuel cell in which the channel is provided with a metal separator formed by a press, can increase the effective available surface area as a generator area, and can prevent excessive cooling of the fuel cell, the metal separator It is to provide a fuel cell provided.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
The present invention for achieving the above object is as follows.
Comprises a metal separator moiety is that is formed by a press having a portion where the refrigerant flow path is formed on the other surface gas flow path is formed on one surface, the metal separator is in contact with one another in the gas flow path groove bottom between modules In a fuel cell equipped with a metal separator,
The metal separator is
The gas flow path width is constant in the depth direction of the gas flow path except for the metal separator curved portions at both ends in the depth direction of the gas flow path,
The gas channel width d _G at the midpoint position of the gas channel depth and the refrigerant channel width d _W obtained by subtracting the gas channel width d _G from the gas channel pitch D are:
d _G ≧ d _W
Fuel cells having a metal separator, characterized in that satisfies the relationship.
[0006]
In fuel cells having the above metal separator, because you have a d _G ≧ d _W, refrigerant flow path width is reduced than the conventional one.
By reducing the refrigerant flow path width, the area of the diffusion layer pushed by the bottom of the separator refrigerant flow channel groove is reduced, and the area of the poor gas diffusion to the catalyst layer is reduced. The area of the portion (the catalyst layer portion where the gas is sufficiently diffused and supplied) is effectively increased.
In addition, since the coolant flow path width is reduced, the amount of cooling water is reduced, the cells are not excessively cooled, and the heat capacity of the cooling water is also reduced, thereby improving the controllability. By preventing excessive cooling, flooding in the downstream portion of the oxidizing gas due to the generated water is also suppressed.
In the fuel cell separator described above, the flow path forming portion has a large thermal conductivity, and thus cooling tends to be excessive. However, since it is assumed that the above conditions are satisfied, the amount of cooling water is small. Excessive cooling can be prevented.
[0007]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the fuel cells having a metal separator of the present invention with reference to FIGS. 1 to 3 will be described.
Fuel cell having a main barrel separator of the present invention is a solid polymer electrolyte fuel cell 10. The fuel cell 10 of the present invention is mounted on, for example, a fuel cell vehicle. However, it may be used other than an automobile.
[0008]
As shown in FIGS. 1 to 3, the solid polymer electrolyte fuel cell 10 is formed by stacking a module 19 including a membrane-electrode assembly (MEA) and a separator 18. The MEA includes an electrolyte membrane 11 made of an ion exchange membrane, an electrode 14 (anode, fuel electrode) made of a catalyst layer 12 disposed on one surface of the electrolyte membrane 11, and a catalyst layer 15 disposed on the other surface of the electrolyte membrane 11. Electrode 17 (cathode, air electrode). A diffusion layer 13 is provided between the anode side catalyst layer 12 and the separator 18, and a diffusion layer 16 is provided between the cathode side catalyst layer 15 and the separator 18. The diffusion layer 13 may be considered as part of the anode 14, and the diffusion layer 16 may be considered as part of the cathode 17. A terminal 23, an insulator 21, and an end plate 22 are arranged at both ends of the module stack in the module stacking direction to form a stack 23. The stack 23 is tightened in the module stacking direction, and is placed outside the module stack in the module stacking direction. It is fixed with an extending fastening member 24 (for example, a tension plate) and a bolt 25.
[0009]
A fuel gas flow path 27 for supplying fuel gas (hydrogen) to the anode 14 is formed in the separator 18 on the anode 14 side of the MEA, and an oxidizing gas (oxygen, oxygen, etc.) is supplied to the cathode 17 in the separator 18 on the cathode 17 side of the MEA. An oxidizing gas passage 28 for supplying air (usually air) is formed.
The refrigerant flow path 26 is provided between the separators 18 of adjacent modules, and a refrigerant (usually cooling water) flows through the refrigerant flow path 26 to cool the fuel cell whose temperature is going to rise due to Joule heat and reaction heat. To do. The refrigerant channel 26 is provided on the surface (back surface) opposite to the surface (front side surface) of the separator 18 on the side where the gas channel (fuel gas channel 27 or oxidizing gas channel 28) is provided. Yes.
[0010]
The catalyst layers 12 and 15 are composed of a catalyst component, for example, platinum (Pt), carbon (C) supporting the catalyst component, and an electrolyte.
The diffusion layers 13 and 16 are mainly composed of carbon (C) and have air permeability.
The separator 18 has a portion (18A or 18B) formed with a press in which a gas channel (fuel gas channel 27 or oxidizing gas channel 28) is formed on one surface and a refrigerant channel 26 is formed on the other surface. The part (18A or 18B) formed by pressing is made of metal, for example. However, the portion (18A or 18B) formed by pressing is not limited to metal, and may be a conductive resin formed by pressing. In the following, a case where the portion (18A or 18B) formed by pressing is made of metal is taken as an example.
[0011]
When the part (18A or 18B) formed by pressing is made of metal, the separator 18 is made of metal separators 18A and 18B and resin frames 18C and 18D.
As shown in FIG. 3, when the MEA is sandwiched between the separators 18, resin frames 18 </ b> C and 18 </ b> D in which portions corresponding to the MEAs are hollowed out are arranged on the MEA side of the metal separators 18 </ b> A and 18 </ b> B, respectively. The frame 18C, MEA, resin frame 18D, and metal separator 18B are laminated in this order. Since the resin frames 18C and 18D are hollowed out in the MEA portion, the metal separators 18A, MEA, and the metal separator 18B are stacked in this order, and the MEA portions do not protrude from the resin frames 18C and 18D. The metal separator 18A, the resin frame 18C, the resin frame 18D, and the metal separator 18B are laminated in this order. The MEA part constitutes a power generation part of the fuel cell.
[0012]
The metal separators 18A and 18B are impermeable, and are made of, for example, a metal plate (for example, a stainless steel plate) plated with a good conductive metal (for example, nickel plating).
Metal separator 18A and resin frame 18C separate fuel gas (for example, hydrogen) and refrigerant (for example, cooling water), and metal separator 18B and resin frame 18D have oxidizing gas (for example, oxygen, usually air) and refrigerant. Isolate. In addition, the metal separators 18A and 18B form an electric path through which electrons flow from the anode to the cathode of adjacent cells.
[0013]
A fuel gas channel 27 is formed on one surface of the metal separator 18A corresponding to the fuel cell power generation unit (a surface facing the MEA), and a refrigerant channel (cooling water channel) 26 is formed on the back surface. Yes. Similarly, an oxidizing gas flow path 28 is formed on one surface of the metal separator 18B corresponding to the fuel cell power generation unit (a surface facing the MEA), and a refrigerant flow path (cooling water flow path) 26 is formed on the back surface. Is formed. The unevenness of the gas flow path is formed by press molding.
[0014]
Opposite portions 30, 31 of the metal separators 18A, 18B and the resin frames 18C, 18D that face each other across the fuel cell power generation unit (portion with the MEA) are connected to a refrigerant manifold 32 connected to the refrigerant flow path 26, fuel gas A fuel gas manifold 33 connected to the flow path 27 and an oxidizing gas manifold 34 connected to the oxidizing gas flow path 28 are formed. One of the facing portions 30 and 31 facing each other across the fuel cell power generation unit corresponding portion is provided with an inlet-side refrigerant manifold 32a, an outlet-side fuel gas manifold 33b, and an inlet-side oxidizing gas manifold 34a. 31 is provided with an outlet-side refrigerant manifold 32b, an inlet-side fuel gas manifold 33a, and an outlet-side oxidizing gas manifold 34b.
A rectifying unit 35 is provided between each entry side manifold and the power generation unit flow path to expand the flow from the manifold length to the entire width of the fuel cell power generation unit, and the flow between each output side manifold and the power generation unit flow path. The flow rectifier 36 is provided to reduce the fuel cell power generator from the full width to the manifold length. The cooling water channel, the fuel gas channel, and the air channel are sealed with each other. 3 in FIG. 3 is a sealing material for refrigerant sealing between modules.
[0015]
As shown in FIG. 3 (a cross section viewed along the line AA in FIG. 2), the gas flow path 27 or 28 is formed on one side, the refrigerant flow path 26 is formed on the other side, and the portion is formed by pressing. In the separators 18A and 18B, when the gas channel width (fuel gas channel width, oxidizing gas channel width) is d _G and the refrigerant channel width is d _W , these parameters are:
d _G ≧ d _W
Satisfied with the relationship. And pitch D (pitch of gas flow path = pitch of refrigerant flow path) is:
D = d _G + d _W
It is. In the above, the gas flow path width d _G and the refrigerant flow path width d _W are the midpoint of the flow path depth in the depth direction of the flow path (a point of 1 / 2h when the depth is h). The channel width or the channel width on the surface in contact with the MEA.
In the illustrated example, the separators 18A and 18B in which the gas flow path is formed on one surface and the refrigerant flow path is formed on the other surface are made of a metal that is a high heat conductive material.
[0016]
Next, the operation of the fuel cells having a metal separator of the present invention.
In the conventional separator has a d _G <d _W, the fuel cells having a metal separator of the present invention, because you have a d _G ≧ d _W, and the gas flow path width d _G is conventional and the present invention In the same case, the refrigerant flow path width d _W becomes smaller than the conventional one. Further, when the pitch D is the same between the present invention and the conventional one, the refrigerant flow path width d _W is smaller than the conventional one, and the gas flow path width d _G is larger than the conventional one.
[0017]
By reducing the refrigerant flow path width d _W , the area of the diffusion layers 13 and 16 pushed by the bottom part of the separator refrigerant flow channel groove decreases (the portion of the diffusion layer that has been pushed to increase the density has gas diffusibility. The area of the diffusion layer that is pushed and deteriorates in diffusibility decreases, and the area of the gas diffusion area to the catalyst layers 12 and 15 decreases, and as a result, power generation out of the cell area. The area of the portion (the catalyst layer portion where the gas is sufficiently diffused and supplied) is effectively increased.
Further, the coolant flow path width d _W is reduced, so that the amount of cooling water is reduced, the cell is not excessively cooled, the heat capacity of the cooling water is also reduced, and the controllability is improved. Further, by preventing excessive cooling, flooding in the downstream portion of the oxidizing gas due to the generated water is also suppressed. In the case of supercooling, the saturated vapor pressure is reduced and water is easily generated, but water generation can be suppressed by preventing overcooling.
[0018]
In the metal separators 18A and 18B, since the flow path forming portion is made of metal, since the metal has a large thermal conductivity and a relatively small heat capacity, the cooling tends to be excessive, but the condition of d _G ≧ d _W As long as the above is satisfied, the amount of cooling water is small and excessive cooling can be prevented.
[0019]
【The invention's effect】
According to fuel cells having a metal separator of claim 1, since the d _G ≧ d _W, may be smaller than a conventional refrigerant flow path width d _W.
By reducing the refrigerant flow path width, the area of the diffusion layer pushed by the separator refrigerant flow channel groove bottom is reduced, and the portion of the cell area that is effectively utilized for power generation (catalyst layer to which gas is sufficiently diffused and supplied) The area of the portion can be increased.
Moreover, since the cooling water flow amount is reduced by reducing the refrigerant flow path width, it is possible to eliminate the excessive cooling of the cell, to suppress flooding in the downstream portion of the oxidizing gas, and to improve the cooling controllability.
In addition, although the flow path forming portion is a high thermal conductive material, the condition of d _G ≧ d _W is satisfied, so the amount of cooling water is small and excessive cooling can be prevented.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an overall schematic view of a fuel cell provided with a metal separator of the present invention.
FIG. 2 is an exploded perspective view of one module of a fuel cell provided with the metal separator of the present invention.
FIG. 3 is an enlarged cross-sectional view of two modules of a part of a fuel cell provided with the metal separator of the present invention.
[Explanation of symbols]
10 (solid polymer electrolyte type) fuel cell 11 electrolyte membrane 12 catalyst layer 13 diffusion layer 14 electrode (anode, fuel electrode)
15 Catalyst layer 16 Diffusion layer 17 Electrode (cathode, air electrode)
18 Separator 18A Metal separator 18B that partitions fuel gas and cooling water Metal separator 18C that partitions oxidizing gas and cooling water Resin frame 18D Resin frame 19 Module 20 Terminal 21 Insulator 22 End plate 23 Stack 24 Fastening member (tension plate)
25 Bolt or nut 26 Refrigerant flow path (cooling water flow path)
27 Fuel gas flow path 28 Oxidizing gas flow path 30, 31 Opposing portion 32 Refrigerant (cooling water) manifold 32a Incoming refrigerant manifold 32b Outgoing refrigerant manifold 33 Fuel gas manifold 33a Incoming fuel gas manifold 33b Outgoing fuel Gas manifold 34 Oxidizing gas (air) manifold 34a Incoming oxidizing gas manifold 34b Outlet oxidizing gas manifold 35 Rectifier 36 Rectifier 37 Seal member (for refrigerant seal)

Claims

一面にガス流路が形成され他面に冷媒流路が形成された部分を有し該部分がプレスで形成されているメタルセパレータを備え、モジュール間でメタルセパレータがガス流路溝底部で互いに接している、メタルセパレータを備えた燃料電池において、
前記メタルセパレータは、
ガス流路の深さ方向両端部位のメタルセパレータ湾曲部を除いてガス流路の深さ方向にガス流路幅が一定とされており、
ガス流路の深さの中間点位置での、ガス流路幅ｄ_G、およびガス流路ピッチＤからガス流路幅ｄ_Gを差し引いた冷媒流路幅ｄ_Wが、
ｄ_G≧ｄ_W
の関係を満足していることを特徴とするメタルセパレータを備えた燃料電池。 Comprises a metal separator moiety is that is formed by a press having a portion where the refrigerant flow path is formed on the other surface gas flow path is formed on one surface, the metal separator is in contact with one another in the gas flow path groove bottom between modules In a fuel cell equipped with a metal separator,
The metal separator is
The gas flow path width is constant in the depth direction of the gas flow path except for the metal separator curved portions at both ends in the depth direction of the gas flow path,
The gas channel width d _G at the midpoint position of the gas channel depth and the refrigerant channel width d _W obtained by subtracting the gas channel width d _G from the gas channel pitch D are:
d _G ≧ d _W
Fuel cells having a metal separator, characterized in that satisfies the relationship.