JP4647721B2 - 燃料電池用セパレータおよび燃料電池 - Google Patents
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Description
[1]一方の面に、リブA1によって規定された1つの蛇行状のガス流路が形成されているガス流路面を有し、他方の面に、リブB1によって規定された2つの蛇行状の冷媒流路が形成されている冷媒流路面を有する、波形に成形された燃料電池用金属セパレータであって、前記ガス流路は、リブA2によって規定された2以上の互いに平行なライン状の溝を有するガス直線領域と、前記ガス直線領域同士を接続するガスターン領域と、を含み、前記ガス直線領域の一部は、前記ガス流路の底面よりも浅い中間面であり、前記ガス直線領域の中間面は、前記ガス直線領域の上流端と下流端との間にあり、前記ガスターン領域は、前記ガス流路の底面よりも浅い面であり、突起を形成された中間面をさらに含み、前記冷媒流路は、リブB2によって規定された2以上の互いに平行なライン状の溝を有する冷媒直線領域と、前記冷媒直線領域同士を接続する冷媒ターン領域と、を含み、前記冷媒ターン領域は、前記冷媒流路の底面よりも浅い面であり、突起を形成された中間面をさらに含み、前記2つの蛇行状の冷媒流路は、前記冷媒直線領域におけるライン状の溝に対して垂直なリブB3で区切られており、前記リブB3は、前記ガス直線領域の中間面の裏面にあり、前記冷媒ターン領域は、前記ガスターン領域の裏面および前記ガス直線領域の中間面の裏面にある、燃料電池用金属セパレータ。
[2]前記ガス直線領域内のライン状の溝を規定するリブA2は、前記ガスターン領域まで延びており、前記冷媒直線領域内のライン状の溝を規定するリブB2は、前記冷媒ターン領域まで延びている、[1]に記載の燃料電池用金属セパレータ。
[3]前記ガス直線領域は、2以上のリブA2を有し、前記ガス直線領域におけるターン外側のリブA2は、前記ガス直線領域におけるターン内側のリブA2よりも前記ガスターン領域の奥側にまで延びている、[1]または[2]に記載の燃料電池用金属セパレータ。
[4]前記冷媒直線領域は、2以上のリブB2を有し、前記冷媒直線領域におけるターン外側のリブB2は、前記冷媒直線領域におけるターン内側のリブB2よりも前記ガスターン領域の奥側にまで延びている、[1]または[2]に記載の燃料電池用金属セパレータ。
[5]前記ガスターン領域の中間面と前記ガスターン領域の突起の頂点との距離は、前記冷媒ターン領域の中間面と前記冷媒ターン領域の突起の頂点との距離よりも大きい、[1]〜[4]のいずれか一つに記載の燃料電池用金属セパレータ。
[6]上流側の前記ガス直線領域が有する前記ライン状の溝の数は、下流側の前記ガス直線領域が有する前記ライン状の溝の数よりも多い、[1]〜[5]のいずれか一つに記載の燃料電池用金属セパレータ。
[7]上流側の前記冷媒直線領域が有するライン状の溝の数は、下流側の前記冷媒直線領域が有するライン状の溝の数と同じである、[1]〜[6]のいずれか一つに記載の燃料電池用金属セパレータ。
[8]高分子電解質膜、および前記高分子電解質膜を挟む一対の触媒電極を有する膜電極接合体と、前記膜電極接合体を挟む一対のセパレータと、を有する燃料電池であって、
前記セパレータは、[1]〜[7]のいずれかに記載の金属セパレータである、燃料電池。
また、本発明では、燃料電池セルを効率的に冷やすことができる。このため、本発明によれば、燃料電池セルの耐久性(寿命)を上げることができる。
本発明の燃料電池は、少なくとも一つの燃料電池セルを備える。すなわち、本発明の燃料電池は、燃料電池セル単体であってもよく、複数のセルを有する燃料電池スタックであってもよい。通常、燃料電池スタックは、集電板、絶縁板および端板によって挟持され、さらに締結され固定される。
本発明のセパレータは、金属板やカーボンシートなどをプレス成形することによって製造された、表裏一体のセパレータである。すなわち本発明のセパレータは、波形の断面形状を有する。また、本発明の燃料電池セパレータの厚さはほぼ一定であり、波形断面の厚さもほぼ一定である。つまり、セパレータの第1面に形成されたリブは、第2面(第1面の裏面)の溝に対応し;第1面に形成された溝は、第2面(第1面の裏面)のリブに対応する。
上述したように第1流路面には蛇行状の反応ガス流路が形成されている。反応ガス流路とは反応ガスが流れる流路である。ここで「反応ガス」とは、水素を含む燃料ガスまたは酸素を含む酸化ガスを意味する。蛇行状の反応ガス流路は、上述のように複数のガス直線領域とガスターン領域とを有する。
また、ガス溝はガス直線領域に対して平行であることが好ましい。ガス溝の幅は、0.25mm〜3mmであることが好ましい。また、ガス溝を規定するリブの幅は0.5〜1.5mmであることが好ましい。さらにガス溝:リブの比率は2:1〜1:2の範囲であることが好ましい。
以下、図面を用いて、ガスターン領域の裏側の流路のパターンの設定自由度が高くなる理由について説明する。
したがって1のセパレータの表と裏で、パターンが異なる流路を形成することができなくなり、1のセパレータの表面に反応ガス流路、裏面にパターンが異なる第2流路を形成することができない。
このように、ガスターン領域が中間面を有することで、ガス流路面における流路パターンと第2流路面における流路のパターンとを違えることができる。
以下図面を用いて、ターン外側のリブがターン外側まで延びていることと、反応ガスを燃料電池セル全体に効率よく供給することとの関係について説明する。
また、反応ガス流路内の反応ガス分圧の低下を防止することができるので、流路やガス拡散層からの水排出性の低下を防止し、燃料電池の発電性能の低下を抑えることができる。
上述のように本発明では、第2流路面は、冷媒流路面であってもよいし、第2ガス流路面であってもよい。以下、第2流路面が冷媒流路面である場合と、第2ガス流路面である場合とに分けて説明する。
(1)第2流路面が冷媒流路面の場合
冷媒流路面にはガス流路面と同様に蛇行状の冷媒流路が形成される。冷媒流路とは、燃料電池を冷やすための冷媒が流れる流路を意味する。冷媒の例には、純水や不凍液(グリコール溶液など)などが含まれる。
反応ガスと異なり、冷媒流路に供給される冷媒量と冷媒流路から排出される冷媒量は等しいからである。
また、本発明では、冷媒流路は蛇行状であることから、低温の冷媒を、高温領域に流れるように、冷媒の流れをコントロールすることができる。このため、本発明によれば、高温領域における相対湿度を上げ、燃料電池セルにおける水分布を平均化することができ、料電池セルの耐久性(寿命)を上げることができる。
第2流路面が第2ガス流路である場合、第2ガス流路には、上述したガス流路に流れる反応ガスとは異なる反応ガスが流れる。すなわち、ガス流路に流れる反応ガスが燃料ガスである場合、第2ガス流路に流れる反応ガスは酸化ガスである。また、ガス流路に流れるガスが酸化ガスである場合、第2ガス流路に流れる反応ガスは燃料ガスである。
第2ガス流路の構成は、反応ガス流路と同様にすることができる。
以下上述した中間面についてより詳細に説明する。また、中間面の説明では、第2流路は冷媒流路であることを前提に説明をする。
本実施の形態では、第2流路面が冷媒流路である例について説明する。また本実施の形態では、冷媒流路面が2つの蛇行状の冷媒流路を有する例について説明する。
図9は、本実施の形態の燃料電池セパレータの斜視図である。また、図9に示した燃料電池セパレータ300は燃料極セパレータである。
実施の形態1では、冷媒流路面が2つの冷媒流路を有する例について説明した。本参照の形態では、冷媒流路面が1つの冷媒流路を有する例について説明する。
212B1、212B2 リブ
212L リブ
222P 冷媒流路
260A 燃料極セパレータ
260B 酸化極セパレータ
261C 突起
261D 窪み
100 反応ガス流路
103 反応ガス流路を規定するリブ
105 ガス分布領域
107 ガス溝に対して垂直な溝
110 ガス直線領域
111 ガス溝
113 ガス溝を規定するリブ
120 ガスターン領域
121 ガス溝を接続する溝
123 ガス流路面の中間面
125 ガスターン領域の突起
200 冷媒流路
203 冷媒流路を規定するリブ
205 冷媒を分割するリブ
210 冷媒直線領域
211 冷媒溝
213 冷媒溝を規定するリブ
220 冷媒ターン領域
223 冷媒ターン領域の中間面
225 冷媒ターン領域の突起
230 冷媒流路入口
300 燃料電池セパレータ
301 燃料電池セパレータ
310 燃料ガス供給マニホールド
312 燃料ガス排出マニホールド
330 酸化ガス供給マニホールド
332 酸化ガス排出マニホールド
340 冷媒供給マニホールド
342 冷媒排出マニホールド
400 酸化極セパレータ
500 MEA
Claims (8)
- 一方の面に、リブA1によって規定された1つの蛇行状のガス流路が形成されているガス流路面を有し、他方の面に、リブB1によって規定された2つの蛇行状の冷媒流路が形成されている冷媒流路面を有する、波形に成形された燃料電池用金属セパレータであって、
前記ガス流路は、
リブA2によって規定された2以上の互いに平行なライン状の溝を有するガス直線領域と、前記ガス直線領域同士を接続するガスターン領域と、を含み、
前記ガス直線領域の一部は、前記ガス流路の底面よりも浅い中間面であり、
前記ガス直線領域の中間面は、前記ガス直線領域の上流端と下流端との間にあり、
前記ガスターン領域は、前記ガス流路の底面よりも浅い面であり、突起を形成された中間面をさらに含み、
前記冷媒流路は、
リブB2によって規定された2以上の互いに平行なライン状の溝を有する冷媒直線領域と、前記冷媒直線領域同士を接続する冷媒ターン領域と、を含み、
前記冷媒ターン領域は、前記冷媒流路の底面よりも浅い面であり、突起を形成された中間面をさらに含み、
前記2つの蛇行状の冷媒流路は、前記冷媒直線領域におけるライン状の溝に対して垂直なリブB3で区切られており、
前記リブB3は、前記ガス直線領域の中間面の裏面にあり、
前記冷媒ターン領域は、前記ガスターン領域の裏面および前記ガス直線領域の中間面の裏面にある、燃料電池用金属セパレータ。 - 前記ガス直線領域内のライン状の溝を規定するリブA2は、前記ガスターン領域まで延びており、
前記冷媒直線領域内のライン状の溝を規定するリブB2は、前記冷媒ターン領域まで延びている、
請求項1に記載の燃料電池用金属セパレータ。 - 前記ガス直線領域は、2以上のリブA2を有し、
前記ガス直線領域におけるターン外側のリブA2は、前記ガス直線領域におけるターン内側のリブA2よりも前記ガスターン領域の奥側にまで延びている、
請求項1に記載の燃料電池用金属セパレータ。 - 前記冷媒直線領域は、2以上のリブB2を有し、
前記冷媒直線領域におけるターン外側のリブB2は、前記冷媒直線領域におけるターン内側のリブB2よりも前記ガスターン領域の奥側にまで延びている、
請求項1に記載の燃料電池用金属セパレータ。 - 前記ガスターン領域の中間面と前記ガスターン領域の突起の頂点との距離は、前記冷媒ターン領域の中間面と前記冷媒ターン領域の突起の頂点との距離よりも大きい、
請求項1に記載の燃料電池用金属セパレータ。 - 上流側の前記ガス直線領域が有する前記ライン状の溝の数は、下流側の前記ガス直線領域が有する前記ライン状の溝の数よりも多い、
請求項1に記載の燃料電池用金属セパレータ。 - 上流側の前記冷媒直線領域が有するライン状の溝の数は、下流側の前記冷媒直線領域が有するライン状の溝の数と同じである、
請求項1に記載の燃料電池用金属セパレータ。 - 高分子電解質膜、および前記高分子電解質膜を挟む一対の触媒電極を有する膜電極接合体と、前記膜電極接合体を挟む一対のセパレータと、を有する燃料電池であって、
前記セパレータは、請求項1に記載の金属セパレータである、燃料電池。
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