JP7327197B2 - Fuel cell separator - Google Patents
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Description
本発明は、燃料電池用セパレーターに関する。 The present invention relates to a fuel cell separator.
電解質である固体高分子膜を介して負極と正極とを接合した膜電極接合体を、ガスケットとセパレーターによって挟持する燃料電池セル用セパレーター構造が知られている。セパレーターは、反応ガス（燃料ガスまたは酸化剤ガス）を供給する入口と、複数の流路溝と、入口と複数の流路溝とを連絡する連絡部分に設けられて固体高分子膜を支える補強部と、を備えている。入口から複数の流路溝へ至る流路の連絡部分の一部は、複数の流路溝の面（膜電極接合体に対向する面であって、流路溝の底に相当する面）に対して反応ガスの流路が傾斜するよう掘り下げられている（例えば、特許文献１参照）。 A fuel cell separator structure is known in which a membrane electrode assembly in which a negative electrode and a positive electrode are joined via a solid polymer membrane, which is an electrolyte, is sandwiched between a gasket and a separator. Separators are provided at inlets for supplying reactant gases (fuel gas or oxidant gas), a plurality of flow channels, and a connecting portion connecting the inlets and the plurality of flow channels to reinforce the solid polymer membrane. and A part of the communication portion of the flow channel from the inlet to the plurality of flow channels is on the surface of the plurality of flow channels (the surface facing the membrane electrode assembly and corresponding to the bottom of the flow channel). On the other hand, the channel of the reaction gas is dug down so as to be inclined (see, for example, Patent Document 1).
従来の燃料電池用セパレーターは、複数の流路溝の全流路幅と同程度の開口幅を有する入口を備えている。そのため、入口からそれぞれの流路溝へ分配される反応ガスの分配量は、入口における反応ガスの流れに影響される。 A conventional fuel cell separator has an inlet having an opening width approximately equal to the entire channel width of a plurality of channel grooves. Therefore, the amount of reactant gas distributed from the inlet to each channel groove is affected by the flow of the reactant gas at the inlet.
一方、複数の流路溝の全流路幅と反応ガスの入口の開口寸法とが大きく異なる場合がある。例えば、反応ガスの入口の開口寸法が複数の流路溝の全流路幅より小さい場合がある。そのような場合には、入口と複数の流路溝との間には、反応ガスを分配するマニホールドが設けられる。 On the other hand, there is a case where the total channel width of the plurality of channel grooves and the opening size of the reaction gas inlet are greatly different. For example, the opening dimension of the inlet of the reactant gas may be smaller than the total channel width of the plurality of channel grooves. In such cases, a manifold for distributing the reactant gases is provided between the inlet and the plurality of flow channels.
そして、マニホールドを介して連絡される入口とそれぞれの流路溝との間の距離は、一定せず、不均一になる。例えば、入口が複数の流路溝の幅方向において、一方の端部に偏っている場合には、入口とそれぞれの流路溝との間の距離は、入口に近い流路溝から入口から遠い流路溝へと連続的に長くなる。そのような距離の違いは、複数の流路溝における反応ガスの分配量に意図しない差異を生じさせる。 The distances between the inlets connected via the manifold and the respective flow channels are not constant and uneven. For example, if the inlets are biased toward one end in the width direction of the plurality of flow channels, the distance between the inlets and the respective flow channels will vary from the channels closer to the inlets to the channels farther from the inlets. It lengthens continuously to the channel groove. Such a difference in distance causes an unintended difference in the amount of reactant gas distributed in the plurality of flow channels.
ところで、それぞれの流路溝における反応ガスの流通量を意図的に異ならせる場合がある。例えば、膜電極接合体の端部を通る流路溝と膜電極接合体の中央部を通る流路溝とで反応ガスの流通量を異ならせる場合がある。そのような場合には、入口とそれぞれの流路溝との間の距離の違いは、それぞれの流路溝における意図的な反応ガスの流通量の差異を損なう虞がある。 By the way, there is a case where the flow rate of the reaction gas in each channel groove is intentionally different. For example, in some cases, the flow rate of the reactant gas is made different between the channel grooves passing through the ends of the membrane electrode assembly and the flow channel passing through the central portion of the membrane electrode assembly. In such cases, the difference in distance between the inlet and each channel may compromise the intentional difference in reactant gas flow rates in each channel.
そこで、本発明は、入口からそれぞれの流路溝へ分配される反応ガスの分配量を容易に意図通りに設定可能な燃料電池用セパレーターを提供することを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, it is an object of the present invention to provide a fuel cell separator in which the amount of reaction gas distributed from the inlet to each channel groove can be easily set as intended.
前記の課題を解決するため本発明に係る燃料電池用セパレーターは、反応ガスを流通させる複数の凹条を有する反応ガス流路と、前記反応ガス流路の全流路幅よりも小さい開口寸法を有する前記反応ガスの入口と、前記入口から前記反応ガス流路へ前記反応ガスを導くマニホールドと、前記マニホールドに配置され、前記入口から流れ込む前記反応ガスを前記反応ガス流路へ放射状に分配する複数のガス分配溝を有し、かつ前記複数のガス分配溝の解放部分を前記マニホールドの内面で閉じられた一体のガス分配部材と、を備えている。 In order to solve the above-mentioned problems, the fuel cell separator according to the present invention has a reaction gas channel having a plurality of grooves for circulating the reaction gas, and an opening dimension smaller than the total channel width of the reaction gas channel. a manifold for guiding the reactant gas from the inlet to the reactant gas channel; and a plurality of the manifold arranged in the manifold for radially distributing the reactant gas flowing from the inlet to the reactant gas channel. gas distribution grooves, and open portions of the plurality of gas distribution grooves are closed by the inner surface of the manifold.
本発明によれば、入口とそれぞれの流路溝との間の距離の違いによる反応ガスの分配量の差異を抑制可能な燃料電池用セパレーターを提供できる。 According to the present invention, it is possible to provide a fuel cell separator capable of suppressing the difference in the amount of reaction gas distributed due to the difference in the distance between the inlet and each channel groove.
本発明に係る燃料電池用セパレーターの実施形態について図１から図９を参照して説明する。なお、複数の図面中、同一または相当する構成には同一の符号を付す。 An embodiment of a fuel cell separator according to the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 9. FIG. In addition, the same code|symbol is attached|subjected to the same or corresponding structure in several drawings.
図１は、本発明の実施の形態に係る燃料電池の概略的な斜視図である。 FIG. 1 is a schematic perspective view of a fuel cell according to an embodiment of the invention.
図１に示すように、本実施形態に係る燃料電池１は、燃料ガスとしての水素ガスと酸化剤ガスとしての酸素（空気に含まれる酸素）とを反応させて発電する。燃料電池１は、積層された複数の燃料電池セル５と、複数の燃料電池セル５を積層方向Ｌの外側から挟み込む一対のエンドプレート６と、一対のエンドプレート６を燃料電池セル５の積層体に固定する締結部材８と、を備えている。
As shown in FIG. 1, the fuel cell 1 according to the present embodiment generates electricity by reacting hydrogen gas as fuel gas and oxygen (oxygen contained in air) as oxidant gas. The fuel cell 1 includes a plurality of stacked
燃料電池１は、積層方向Ｌに沿って積層される多数の燃料電池セル５を備えている。そのため、燃料電池１は燃料電池スタックとも呼ばれる。燃料電池１は、燃料電池セル５を最小単位とし、積層された数十から数百の燃料電池セル５を備えている。積層される燃料電池セル５の数量は、燃料電池１に要求される発電能力による。
The fuel cell 1 includes a large number of
一対のエンドプレート６は、燃料電池セル５より大きい長方形状を有している。一対のエンドプレート６は、その間に架け渡される締結部材８によって連結されている。
A pair of end plates 6 has a rectangular shape larger than the
締結部材８は、一対のエンドプレート６を介して複数の燃料電池セル５に積層方向Ｌ内向きの荷重を付与する。
The fastening
図２は、本発明の実施の形態に係る燃料電池セルの分解斜視図である。 FIG. 2 is an exploded perspective view of the fuel cell according to the embodiment of the invention.
図２に示すように、本実施形態に係る燃料電池１の燃料電池セル５は、膜電極接合体１１（Membrane Electrode Assembly、MEA）と、膜電極接合体１１を挟む一対のガス拡散層１２（Gas Diffusion Layer、GDL）と、一対のガス拡散層１２を介して膜電極接合体１１を表裏から挟む一対のセパレーター１５、１６と、を備えている。
As shown in FIG. 2, the
また、燃料電池セル５は、積層方向に隣り合うセパレーター１５、１６の間に、燃料電池１を冷却する冷媒としての空気を流通させる冷媒流通路（図示省略）を有している。
In addition, the
図３は、本発明の実施の形態に係る燃料電池の部分断面図である。 FIG. 3 is a partial cross-sectional view of a fuel cell according to an embodiment of the invention.
図４は、本発明の実施の形態に係る燃料電池の膜電極接合体側から見たアノード極側のセパレーターの模式図である。 FIG. 4 is a schematic diagram of a separator on the anode side as seen from the membrane electrode assembly side of the fuel cell according to the embodiment of the present invention.
図５は、本発明の実施の形態に係る燃料電池の膜電極接合体側から見たカソード極側のセパレーターの模式図である。 FIG. 5 is a schematic diagram of the separator on the cathode electrode side as seen from the membrane electrode assembly side of the fuel cell according to the embodiment of the present invention.
図２に加えて、図３から図５に示すように、燃料電池１の膜電極接合体１１は、固体高分子膜１７（電解質）と、アノード極１８（燃料極）と、カソード極１９（空気極）と、を備えている。一対の電極１８、１９は、固体高分子膜１７を表裏から挟んでいる。
In addition to FIG. 2, as shown in FIGS. 3 to 5, the
一対のガス拡散層１２の周囲には、一対のサブガスケット２２が配置されている。一対のサブガスケット２２は、ガス拡散層１２よりもガス透過係数の小さい、例えばポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）樹脂の薄膜である。
A pair of
また、それぞれの燃料電池セル５は、アノード極１８に水素ガスを供給する水素ガス流路２８（反応ガス流路）と、カソード極１９に空気を供給する空気流路２９（反応ガス流路）と、を有している。水素ガス流路２８は、アノード極１８とアノード極１８に対面するセパレーター１５との間に区画されている。空気流路２９は、カソード極１９とカソード極１９に対面するセパレーター１６との間に区画されている。
Each
水素ガス流路２８は、水素ガス入口３１および水素ガス出口３２に繋がっている。水素ガス流路２８は、例えば長方形状の燃料電池セル５の長辺に対して平行に延びる複数の凸部３３の間に複数の直線形状かつ凹条の流路溝を有している。換言すると、水素ガス流路２８は、反応ガスとしての水素ガスを流通させる複数の凹条を有している。この複数の流路溝は、燃料電池セル５の一方の長辺から他方の長辺へ、他方の長辺から一方の長辺へと蛇行しながら延びるものであっても良い。
The
水素ガス入口３１および水素ガス出口３２は、水素ガス流路２８の全流路幅、つまり複数の流路溝の全流路幅よりも小さい開口寸法を有している。なお、円形の水素ガス入口３１および水素ガス出口３２における開口寸法は、開口径に相当する。水素ガス入口３１は、水素ガス流路２８の流路幅方向において、一方の端部に配置され、水素ガス出口３２は、水素ガス流路２８の流路幅方向において、他方の端部に配置されている。水素ガス流路２８の流路幅方向において、一方の端部に近い流路溝は、水素ガス入口３１に近く、水素ガス出口３２から遠い。水素ガス流路２８の流路幅方向において、他方の端部に近い流路溝は、水素ガス出口３２に近く、水素ガス入口３１から遠い。したがって、水素ガス入口３１と水素ガス出口３２とを最短距離で結ぶ直線は、水素ガス流路２８を斜め（対角方向）に横切る。
The
水素ガス入口３１と水素ガス流路２８との間には、水素ガス入口側マニホールド３５が設けられている。水素ガス入口側マニホールド３５は、水素ガス入口３１から流れ込む水素ガスを水素ガス流路２８へ導く。水素ガス入口側マニホールド３５は、水素ガス入口３１から流れ込む水素ガスを、それぞれの流路溝へ分岐させる。水素ガス出口３２と水素ガス流路２８との間には、水素ガス出口側マニホールド３６が設けられている。水素ガス出口側マニホールド３６は、水素ガス流路２８から流れ出る水素ガスを水素ガス出口３２へ導く。水素ガス出口側マニホールド３６は、水素ガス流路２８から流れ出る水素ガスを、それぞれの流路溝から水素ガス出口３２へ集約する。
A hydrogen gas
空気流路２９は、空気入口４１および空気出口４２に繋がっている。空気流路２９は、例えば長方形状の燃料電池セル５の長辺に対して平行に延びる複数の凸部４３の間に複数の直線形状かつ凹条の流路溝を有している。換言すると、空気流路２９は、反応ガスとしての空気を流通させる複数の凹条を有している。この複数の流路溝は、燃料電池セル５の一方の長辺から他方の長辺へ、他方の長辺から一方の長辺へと蛇行しながら延びるものであっても良い。
空気入口４１および空気出口４２は、空気流路２９の全流路幅、つまり複数の流路溝の全流路幅よりも小さい開口寸法を有している。なお、円形の空気入口４１および空気出口４２における開口寸法は、開口径に相当する。空気入口４１は、空気流路２９の流路幅方向において、一方の端部に配置され、空気出口４２は、空気流路２９の流路幅方向において、他方の端部に配置されている。空気流路２９の流路幅方向において、一方の端部に近い流路溝は、空気入口４１に近く、空気出口４２から遠い。空気流路２９の流路幅方向において、他方の端部に近い流路溝は、空気出口４２に近く、空気入口４１から遠い。したがって、空気入口４１と空気出口４２とを最短距離で結ぶ直線は、空気流路２９を斜め（対角方向）に横切る。
The
空気入口４１と空気流路２９との間には、空気入口側マニホールド４５が設けられている。空気入口側マニホールド４５は、空気入口４１から流れ込む空気を空気流路２９へ導く。空気入口側マニホールド４５は、空気入口４１から流れ込む空気を、それぞれの流路溝へ分岐させる。空気出口４２と空気流路２９との間には、空気出口側マニホールド４６が設けられている。空気出口側マニホールド４６は、空気流路２９から流れ出る空気を空気流路２９へ導く。空気出口側マニホールド４６は、空気流路２９から流れ出る空気を、それぞれの流路溝から空気出口４２へ集約する。
An air
なお、図３は、図５のＩＩＩ－ＩＩＩ線のように、空気入口４１近傍における燃料電池セル５の断面図である。空気出口４２、水素ガス入口３１、および水素ガス出口３２も同様の構造を有している。そのため、空気出口４２近傍における燃料電池セル５の断面図、水素ガス入口３１近傍における燃料電池セル５の断面図、および水素ガス出口３２近傍における燃料電池セル５の断面図を省略する。
3 is a cross-sectional view of the
セパレーター１５、１６は、例えば炭素繊維強化プラスチック製、導電性樹脂製、または金属製である。
The
アノード極１８を臨むセパレーター１５は、膜電極接合体１１のカソード極１９を臨むセパレーター１６へ空気を供給する空気導入口５１と、セパレーター１５から空気を排出させる空気導出口５２と、を有している。
The
セパレーター１５の面１５ａには、膜電極接合体１１に向かって突出する水素ガス側シール５９が設けられている。
A hydrogen
水素ガス側シール５９は、セパレーター１５の面１５ａの外周縁部を周回している。水素ガス側シール５９は、水素ガス流路２８、水素ガス入口３１、水素ガス入口側マニホールド３５、水素ガス出口３２、および水素ガス出口側マニホールド３６の外周を周回してこれらを一続きの空間の中に納める第一部位５９ａを有している。また、水素ガス側シール５９は、空気導入口５１を個別に周回する第二部位５９ｂと、空気導出口５２を個別に周回する第三部位５９ｃと、を有している。つまり、空気導入口５１は、水素ガスが流通する空間（水素ガス流路２８、水素ガス入口３１、水素ガス入口側マニホールド３５、水素ガス出口３２、および水素ガス出口側マニホールド３６）、および空気導出口５２のそれぞれから縁切りされて独立している。空気導出口５２は、水素ガスが流通する空間、および空気導入口５１のそれぞれから縁切りされて独立している。
The hydrogen
なお、第一部位５９ａ、第二部位５９ｂ、第三部位５９ｃは、図５のように一続きに繋がり、共有部分を有していても良いし、各部位５９ａ、５９ｂ、５９ｃが別個に独立していても良い。
The
カソード極１９を臨むセパレーター１６は、膜電極接合体１１のアノード極１８を臨むセパレーター１５へ水素ガスを供給する水素ガス導入口６１と、セパレーター１５から水素ガスを排出させる水素ガス導出口６２と、を有している。
The
セパレーター１６の面１６ａには、膜電極接合体１１に向かって突出する空気側シール６９が設けられている。
An
空気側シール６９は、セパレーター１６の面１６ａの外周縁部を周回している。空気側シール６９は、空気流路２９、空気入口４１、空気入口側マニホールド４５、空気出口４２、および空気出口側マニホールド４６の外周を周回してこれらを一続きの空間の中に納める第一部位６９ａを有している。また、空気側シール６９は、水素ガス導入口６１を個別に周回する第二部位６９ｂと、水素ガス導出口６２を個別に周回する第三部位６９ｃと、を有している。つまり、水素ガス導入口６１は、空気が流通する空間（空気流路２９、空気入口４１、空気入口側マニホールド４５、空気出口４２、および空気出口側マニホールド４６）、および水素ガス導出口６２のそれぞれから縁切りされて独立している。水素ガス導出口６２は、空気が流通する空間、および水素ガス導入口６１のそれぞれから縁切りされて独立している。
The
なお、第一部位６９ａ、第二部位６９ｂ、第三部位６９ｃは、図６のように一続きに繋がり、共有部分を有していても良いし、各部位６９ａ、６９ｂ、６９ｃが別個に独立していても良い。
The
そして、セパレーター１５は、水素ガス入口側マニホールド３５に配置される一体の水素ガス分配部材７１を備えている。水素ガス分配部材７１は、水素ガス入口３１から流れ込む水素ガスを水素ガス流路２８へ放射状に分配する複数の水素ガス分配溝７２を有している。複数の水素ガス分配溝７２の解放部分は、水素ガス入口側マニホールド３５を貫通せず、水素ガス入口側マニホールド３５の内面で閉塞されている。この内面は、水素ガス流路２８の流路溝の底に連なっている。水素ガス分配部材７１は、円形の水素ガス入口３１の縁に沿って円弧形状に延びている。
The
また、セパレーター１６は、空気入口側マニホールド４５に配置される一体の空気分配部材８１を備えている。空気分配部材８１は、空気入口４１から流れ込む空気を空気流路２９へ放射状に分配する複数の空気分配溝８２を有している。複数の空気分配溝８２の解放部分は、空気入口側マニホールド４５を貫通せず、空気入口側マニホールド４５の内面で閉塞されている。この内面は、空気流路２９の流路溝の底に連なっている。空気分配部材８１は、円形の空気入口４１の縁に沿って円弧形状に延びている。
The
図６および図７は、本発明の実施の形態に係るセパレーターのガス分配部材の斜視図である。 6 and 7 are perspective views of gas distribution members of separators according to embodiments of the present invention.
図６は、水素ガス分配部材７１を水素ガス入口側マニホールド３５側から見た斜視図であり、図７は、空気分配部材８１を膜電極接合体１１側から見た斜視図である。なお、水素ガス分配部材７１を膜電極接合体側から見た構成は、図７に準ずるので省略する。また、空気分配部材８１を空気入口側マニホールド４５側から見た構成は、図６に準ずるので省略する。
6 is a perspective view of the hydrogen
図８は、本発明の実施の形態に係るセパレーターの酸素入口側マニホールドの拡大斜視図である。 FIG. 8 is an enlarged perspective view of the oxygen inlet side manifold of the separator according to the embodiment of the present invention.
説明の便宜のため、水素ガス入口側マニホールド３５および空気入口側マニホールド４５を入口側マニホールド３５、４５と総称する。また、水素ガス分配部材７１および空気分配部材８１をガス分配部材７１、８１と総称する。さらに、水素ガス分配溝７２および空気分配溝８２をガス分配溝７２、８２と総称する。また、水素ガス入口３１および空気入口４１をガス入口３１、４１と総称する。さらに、水素ガス流路２８および空気流路２９を反応ガス流路２８、２９と総称する。
For convenience of explanation, the hydrogen
図６から図８に示すように、本実施形態に係るセパレーター１５、１６のガス分配部材７１、８１は、複数のガス分配溝７２、８２を有している。複数のガス分配溝７２、８２は、全て同じ方向へ開いた溝である。複数のガス分配溝７２、８２の開放部分は、入口側マニホールド３５、４５によって閉塞されている。複数のガス分配溝７２、８２と入口側マニホールド３５、４５とで画定される流路は、反応ガスを分配する分配流路である。ガス分配部材７１、８１は、例えば炭素繊維強化プラスチック製、導電性樹脂製、または金属製の一体部品である。つまり、ガス分配部材７１、８１は、複数のガス分配溝７２、８２を分かつ複数の溝間凸部８５と、複数の溝間凸部８５を一体化する円弧形板部８６と、を一体に備えている。
As shown in FIGS. 6 to 8, the
また、複数のガス分配溝７２、８２は、ガス入口３１、４１から遠ざかる方向、つまり円弧形のガス分配部材７１、８１の径方向外側へ向かって放射状に延びている。
Also, the plurality of
さらに、それぞれのガス分配溝７２、８２の流路断面積は、ガス入口３１、４１から反応ガス流路２８、２９へ向かって拡大している。したがって、それぞれのガス分配溝７２、８２の入口７２ｉ、８２ｉは、対応するガス分配溝７２、８２の出口７２ｏ、８２ｏよりも小さい。
Further, the channel cross-sectional area of each of the
そして、図４から図８に示すように、本実施形態に係るセパレーター１５、１６の複数のガス分配溝７２、８２は、反応ガス流路２８、２９の複数の流路溝より少ない。つまり、それぞれのガス分配溝７２、８２の延長線上には、複数の流路溝が配置されている。換言すると、それぞれのガス分配溝７２、８２は、複数の流路溝を臨んでいる。したがって、それぞれのガス分配溝７２、８２は、いずれの流路溝とも直接的に接続されておらず、入口側マニホールド３５、４５の一続きの空間を介して反応ガス流路２８、２９に接続されている。
4 to 8, the plurality of
それぞれのガス分配溝７２、８２の出口面積は、それぞれのガス分配溝７２、８２とそれぞれのガス分配溝７２、８２の延長上に位置する複数の流路溝までの距離が遠いものほど、大きい。つまり、複数のガス分配溝７２、８２の出口面積の大小関係は、対応する流路溝までの距離が近いほど小さく、対応する流路溝までの距離が遠いほど大きい関係にある。
The outlet area of each
また、それぞれのガス分配溝７２、８２の出口７２ｏ、８２ｏとその隣のガス分配溝７２、８２の出口７２ｏ、８２ｏとの距離は、それぞれのガス分配溝７２、８２とそれぞれのガス分配溝７２、８２の延長上に位置する複数の流路溝までの距離が遠いものほど、小さい。それぞれのガス分配溝７２、８２の出口７２ｏ、８２ｏとその隣のガス分配溝７２、８２の出口７２ｏ、８２ｏとの距離は、それぞれの溝間凸部８５の外周側の幅寸法に相当する。つまり、複数の溝間凸部８５の外周側の幅寸法の大小関係は、対応する流路溝までの距離が近いほど大きく、対応する流路溝までの距離が遠いほど小さい関係にある。
In addition, the distance between the outlets 72o, 82o of the respective
さらに、それぞれのガス分配溝７２、８２の入口面積は、それぞれのガス分配溝７２、８２とそれぞれのガス分配溝７２、８２の延長上に位置する流路溝までの距離が遠いものほど、大きい。つまり、複数のガス分配溝７２、８２の入口面積の大小関係は、対応する流路溝までの距離が近いほど小さく、対応する流路溝までの距離が遠いほど大きい関係にある。
Further, the entrance area of each
また、それぞれのガス分配溝７２、８２の入口７２ｉ、８２ｉとその隣のガス分配溝７２、８２の入口７２ｉ、８２ｉとの距離は、それぞれのガス分配溝７２、８２とそれぞれのガス分配溝７２、８２の延長上に位置する複数の流路溝までの距離が遠いものほど、小さい。それぞれのガス分配溝７２、８２の入口７２ｉ、８２ｉとその隣のガス分配溝７２、８２の入口７２ｉ、８２ｉとの距離は、それぞれの溝間凸部８５の内周側の幅寸法に相当する。つまり、複数の溝間凸部８５の内周側の幅寸法の大小関係は、対応する流路溝までの距離が近いほど大きく、対応する流路溝までの距離が遠いほど小さい関係にある。
In addition, the distance between the
図４に戻って、アノード極１８に対面するセパレーター１５は、水素ガス入口側マニホールド３５側に設けられて、水素ガス分配部材７１のそれぞれの水素ガス分配溝７２に合わさってそれぞれの水素ガス分配溝７２を拡張する第二ガス分配溝８８を備えている。
Returning to FIG. 4, the
水素ガス側の流路（水素ガス入口側マニホールド３５、水素ガス流路２８、および水素ガス出口側マニホールド３６）は、空気側の流路（空気入口側マニホールド４５、空気流路２９、および空気出口側マニホールド４６）に比べて燃料電池セル５の積層方向Ｌにおける流路高さ、つまりセパレーター１５の面外方向における流路高さが低い。そのため、水素ガス入口側マニホールド３５に配置される水素ガス分配部材７１の厚さ寸法は、空気入口側マニホールド４５に配置される空気分配部材８１の厚さ寸法より小さくなければならない。つまり、水素ガス分配部材７１は、空気分配部材８１より薄い。そのため、水素ガス分配溝７２は、空気分配溝８２のような溝深さを有することができず、十分な流路断面積を確保しがたい場合がある。そのような場合には、水素ガス入口側マニホールド３５側に第二ガス分配溝８８を形成し、これを水素ガス分配溝７２に組み合わせることによって、所望の流路断面積を容易に得ることができる。
The hydrogen gas side flow path (hydrogen
第二ガス分配溝８８は、水素ガス分配部材７１の外周縁よりも、さらに水素ガス流路２８へ向かって延びていることが好ましい。そのような第二ガス分配溝８８の延長部分の幅は、水素ガス分配溝７２と同様に、水素ガス流路２８へ向かって拡張されていることが好ましい。第二ガス分配溝８８の延長部分は、水素ガス分配溝７２の出口における流路断面積の不連続な拡大を緩和し、当該箇所およびその周辺における圧力損失の増大を抑制する。
The second
なお、アノード極１８に対面するセパレーター１５は、水素ガス出口側マニホールド３６側に設けられて、水素ガス分配部材のそれぞれの水素ガス分配溝に合わさってそれぞれの水素ガス分配溝を拡張する第二ガス分配溝を備えていても良い。
The
ところで、水素ガス側シール５９と空気側シール６９とは、膜電極接合体１１およびガス拡散層１２を間に挟んで燃料電池１の積層方向Ｌに向かい合っている。そのため、水素ガス側シール５９と空気側シール６９とは、燃料電池１に付与される積層方向Ｌ内向きの荷重によって押し合う。
Incidentally, the hydrogen
しかしながら、水素ガス側シール５９の第二部位５９ｂは空気導入口５１を途切れずに囲む一方、空気側シール６９の第一部位６９ａは、空気入口４１と空気入口側マニホールド４５とを繋げるために、空気入口４１の全周を囲んでいない。水素ガス側シール５９の第三部位５９ｃは空気導出口５２を途切れずに囲む一方、空気側シール６９の第一部位６９ａは、空気出口４２と空気出口側マニホールド４６とを繋げるために、空気出口４２の全周を囲んでいない。空気側シール６９の第二部位６９ｂは水素ガス導入口６１を途切れずに囲む一方、水素ガス側シール５９の第一部位５９ａは、水素ガス入口３１と水素ガス入口側マニホールド３５とを繋げるために、水素ガス入口３１の全周を囲んでいない。空気側シール６９の第三部位６９ｃは水素ガス導出口６２を途切れずに囲む一方、水素ガス側シール５９の第一部位５９ａは、水素ガス出口３２と水素ガス出口側マニホールド３６とを繋げるために、水素ガス出口３２の全周を囲んでいない。
However, while the
ここで、空気入口４１と空気入口側マニホールド４５とが繋がっている部位および、水素ガス入口３１と水素ガス入口側マニホールド３５とが繋がっている部位を、入口側流通連絡部９１と呼ぶ。これら入口側流通連絡部９１では、両シール５９、６９が向かい合わないので、両シール５９、６９は押し合うことができない。
Here, the portion where the
そこで、ガス分配部材７１、８１は、対応する入口側流通連絡部９１に設けられている。ガス分配部材７１、８１の円弧形板部８６は、対応するシール５９、６９に囲まれていないガス入口３１、４１の周囲全体に渡っている。
Therefore, the
つまり、一方のシール５９、６９において、反応ガス流路２８、２９、ガス入口３１、４１、ガス出口３２、４２、入口側マニホールド３５、４５、および出口側マニホールド３６、４６を一括して囲む第一部位５９ａ、６９ａ、ガス導入口５１、６１を囲む第二部位５９ｂ、６９ｂの一部である第四部位５９ｄ、６９ｄ、およびガス導出口５２、６２を囲む第三部位５９ｃ、６９ｃの一部である第五部位５９ｅ、６９ｅは、サブガスケット２２を間に挟んで他方のシール５９、６９に対向する。したがって、これら第一部位５９ａ、６９ａ、第四部位５９ｄ、６９ｄ、および第五部位５９ｅ、６９ｅは、両シール５９、６９の間で荷重を授受し合うことができる。
In other words, in one
また、一方のシール５９、６９において、ガス導入口５１、６１を囲む第二部位５９ｂ、６９ｂの残部である第六部位５９ｆ、６９ｆ、およびガス導出口５２、６２を囲む第三部位５９ｃ、６９ｃの残部に沿う第七部位５９ｇ、６９ｇは、他方のシール５９、６９に非対向する。したがって、これら第六部位５９ｆ、６９ｆ、および第七部位５９ｇ、６９ｇは、両シール５９、６９の間で荷重を授受し合うことができない。そこで、ガス導入口５１、６１を囲む第二部位５９ｂ、６９ｂの残部である第六部位５９ｆ、６９ｆは、サブガスケット２２を間に挟んで対応するガス分配部材７１、８１との間で荷重を授受し合う。つまり、水素ガス側シール５９の第六部位５９ｆは、空気入口側マニホールド４５に配置される空気分配部材８１との間で荷重を授受し合う。空気側シール６９の第六部位６９ｆは、水素ガス入口側マニホールド３５に配置される水素ガス分配部材７１との間で荷重を授受し合う。
In one
なお、空気出口４２と空気出口側マニホールド４６とが繋がっている部位、および水素ガス出口３２と水素ガス出口側マニホールド３６とが繋がっている部位を、出口側流通連絡部９２と呼ぶ。これら出口側流通連絡部９２でも、両シール５９、６９が向かい合わないので、両シール５９、６９は押し合うことができない。そこで、入口側流通連絡部９１と同様に、出口側流通連絡部９２にガス分配部材（図示省略）を設けても良い。つまり、入口側マニホールド３５、４５と同様に、出口側マニホールド３６、４６にもガス分配部材が設けられていても良い。その場合には、水素ガス側シール５９の第七部位５９ｇは、空気出口側マニホールド４６に配置される空気分配部材（図示省略）との間で荷重を授受し合うことができる。また、空気側シール６９の第七部位６９ｇは、水素ガス出口側マニホールド３６に配置される水素ガス分配部材（図示省略）との間で荷重を授受し合う。
A portion where the
次いで、ガス分配部材７１、８１の他の例について説明する。
Next, other examples of
図９は、本発明の実施の形態に係るセパレーターのガス分配部材の他の例の斜視図である。 FIG. 9 is a perspective view of another example of the gas distribution member of the separator according to the embodiment of the invention.
図９は、空気分配部材８１を膜電極接合体側から見た斜視図である。
FIG. 9 is a perspective view of the
図９に示すように、本実施形態に係るセパレーター１６は、空気分配部材８１とガス拡散層１２との間に挟まれる第二シール９５を備えていても良い。第二シール９５は、空気分配部材８１の円弧形板部８６に設けられる。第二シール９５は、水素ガス側シール５９の第六部位５９ｆとの間で荷重を授受し合う。
As shown in FIG. 9 , the
なお、セパレーター１５もセパレーター１６と同様に、水素ガス分配部材７１とガス拡散層１２との間に挟まれるシール材（図示省略）を備えていても良い。また、出口側流通連絡部９２に設けられる分配部材も同様に、分配部材とガス拡散層１２との間に挟まれる第二シール（図示省略）を備えていても良い。
As with the
以上のように、本実施形態に係る燃料電池１のセパレーター１５、１６は、入口側マニホールド３５、４５に配置され、ガス入口３１、４１から流れ込む反応ガスを反応ガス流路２８、２９へ放射状に分配する複数のガス分配溝７２、８２を有し、かつ複数のガス分配溝７２、８２の解放部分を入口側マニホールド３５、４５の内面で閉じられた一体のガス分配部材７１、８１と、を備えている。そのため、燃料電池１のセパレーター１５、１６は、ガス入口３１、４１から反応ガス流路２８、２９のそれぞれの流路溝へ、反応ガスを放射状に拡散させて、それぞれの流路溝へ反応ガスを容易に意図通りに分配することができる。例えば、セパレーター１５、１６は、反応ガスを放射状に拡散させて、それぞれの流路溝へ反応ガスを均一に分配することができる。また、セパレーター１５、１６は、反応ガスを放射状に拡散させて、それぞれの流路溝へ反応ガスを意図的に不均一に分配することもできる。つまり、従来のセパレーターのように反応ガスの入口が直接的に複数の流路溝に接続されている場合には、入口からそれぞれの流路溝へ分配される反応ガスの分配量は、入口における反応ガスの流れに影響される一方、本実施形態に係るセパレーター１５、１６は、反応ガスを放射状に拡散させて、それぞれの流路溝への反応ガスの分配量を容易に意図的に設定できる。
As described above, the
また、本実施形態に係るセパレーター１５、１６は、入口と流路溝とが直接的に接続されている従来のセパレーターと異なり、ガス分配部材７１、８１と反応ガス流路２８、２９との間に、一続きの空間を有する入口側マニホールド３５、４５を有している。つまり、従来のセパレーターにおける、入口と流路溝とを途切れることなく連結する補強部材のように、本実施形態に係るガス分配溝７２、８２は、入口側マニホールド３５、４５の全域を埋め尽くすように延伸する必要がない。そのため、セパレーター１５、１６は、ガス分配部材７１、８１の径方向寸法（ガス入口３１、４１から反応ガス流路２８、２９へ向かう方向における寸法）を小型化できる。また、セパレーター１５、１６は、反応ガス流路２８、２９の複数の流路溝よりも少ない数のガス分配溝７２、８２を有する簡易な構造で良い。
Further, in the
さらに、本実施形態に係るセパレーター１５、１６は、一体のガス分配部材７１、８１で対向するシール５９、６９の第六部位５９ｆ、６９ｆを支えることができる。また、セパレーター１５、１６は、一体のガス分配部材７１、８１で対向するシール５９、６９の第六部位５９ｆ、６９ｆを支えるので、シール５９、６９の第六部位５９ｆ、６９ｆから受ける荷重を複数の溝間凸部８５で支えることができる。そのため、ガス分配部材７１、８１は、複数のガス分配溝７２、８２の溝幅に比べて小さい幅寸法の溝間凸部８５にシール５９、６９の第六部位５９ｆ、６９ｆから受ける荷重を分散させて支えることができる。また、一体のガス分配部材７１、８１は、燃料電池１に多数搭載される燃料電池セル５の数量を鑑みると、溝間凸部８５を個別にセパレーター１５、１６に設ける場合に比べて極めて高い製造性を有している。
Further, the
本実施形態に係るセパレーター１５、１６は、ガス入口３１、４１から反応ガス流路２８、２９へ向かって拡大する流路断面積を有する複数のガス分配溝７２、８２を備えている。そのため、セパレーター１５、１６は、それぞれのガス分配溝７２、８２内で反応ガス流路２８、２９へ向かう反応ガスの流れの拡散を開始することができる。
The
また、本実施形態に係るセパレーター１５、１６は、それぞれのガス分配溝７２、８２とそれぞれのガス分配溝７２、８２の延長上に位置する流路溝までの距離に比例する出口面積を有する複数のガス分配溝７２、８２を備えている。さらに、セパレーター１５、１６は、それぞれのガス分配溝７２、８２の出口７２ｏ、８２ｏとその隣のガス分配溝７２、８２の出口７２ｏ、８２ｏとの距離が、それぞれのガス分配溝７２、８２とそれぞれのガス分配溝７２、８２の延長上に位置する流路溝までの距離に反比例する複数のガス分配溝７２、８２を備えている。また、本実施形態に係るセパレーター１５、１６は、それぞれのガス分配溝７２、８２とそれぞれのガス分配溝７２、８２の延長上に位置する流路溝までの距離に比例する入口面積を有する複数のガス分配溝７２、８２を備えている。さらに、セパレーター１５、１６は、それぞれのガス分配溝７２、８２の入口７２ｉ、８２ｉとその隣のガス分配溝７２、８２の入口７２ｉ、８２ｉとの距離が、それぞれのガス分配溝７２、８２とそれぞれのガス分配溝７２、８２の延長上に位置する流路溝までの距離に反比例する複数のガス分配溝７２、８２を備えている。
In addition, the
これらの関係を有するガス分配溝７２、８２によって、セパレーター１５、１６は、ガス分配溝７２、８２と流路溝との距離が近い部位よりもガス分配溝７２、８２と流路溝との距離が離れている部位により多くの反応ガスを流通させて、反応ガス流路２８、２９における反応ガスの分配量の容易な均一化を図ることができる。
Due to the
また、本実施形態に係るセパレーター１５、１６は、金属製のガス分配部材７１、８１を備えている。そのため、セパレーター１５、１６は、シール５９、６９の第六部位５９ｆ、６９ｆを強固に支えて膜電極接合体１１とシール５９、６９との接触部分における膜電極接合体１１の撓みを抑制し、膜電極接合体１１とシール５９、６９との間の反応ガスの漏洩や、入口側流通連絡部９１における流路の閉塞を確実に防ぐことができる。
Moreover, the
さらに、本実施形態に係るセパレーター１５、１６は、ガス分配部材７１、８１とガス拡散層１２との間に挟まれる第二シール９５を備えている。そのため、セパレーター１５、１６は、シール５９、６９の第六部位５９ｆ、６９ｆを、他の部位５９ａ、６９ａ、５９ｄ、６９ｄ、部位５９ｅ、６９ｅと同様にシールどうしで押さえ付け合って、膜電極接合体１１とシール５９、６９との間の反応ガスの漏洩や、入口側流通連絡部９１における流路の閉塞を確実に防ぐことができる。
Furthermore, the
また、アノード極１８に対面するセパレーター１５は、水素ガス入口側マニホールド３５側に設けられて、水素ガス分配部材７１のそれぞれの水素ガス分配溝７２に合わさってそれぞれの水素ガス分配溝７２を拡張する第二ガス分配溝８８を備えている。そのため、アノード極１８に対面するセパレーター１５は、一般に、カソード極１９に対面するセパレーター１６に比べて反応ガス流路の流路高さが低いが、反応ガスの拡散に十分な放射状流路（水素ガス分配溝７２および第二ガス分配溝８８）を形成できる。
In addition, the
したがって、本発明に係る燃料電池１のセパレーター１５、１６によれば、ガス入口３１、４１から反応ガス流路２８、２９のそれぞれの流路溝へ分配される反応ガスの分配量を、容易に意図通りに設定できる。
Therefore, according to the
１…燃料電池、５…燃料電池セル、６…エンドプレート、８…締結部材、１１…膜電極接合体、１２…ガス拡散層、１５…セパレーター、１５ａ…面、１６…セパレーター、１６ａ…面、１７…固体高分子膜、１８…アノード極、１９…カソード極、２２…サブガスケット、２８…水素ガス流路、２９…空気流路、３１…水素ガス入口、３２…水素ガス出口、３３…水素ガス流路の凸部、３５…水素ガス入口側マニホールド、３６…水素ガス出口側マニホールド、４１…空気入口、４２…空気出口、４３…空気流路の凸部、４５…空気入口側マニホールド、４６…空気出口側マニホールド、５１…空気導入口、５２…空気導出口、５９…水素ガス側シール、５９ａ…第一部位、５９ｂ…第二部位、５９ｃ…第三部位、５９ｄ…第四部位、５９ｅ…第五部位、５９ｆ…第六部位、５９ｇ…第七部位、６１…水素ガス導入口、６２…水素ガス導出口、６９…空気側シール、６９ａ…第一部位、６９ｂ…第二部位、６９ｃ…第三部位、６９ｄ…第四部位、６９ｅ…第五部位、６９ｆ…第六部位、６９ｇ…第七部位、７１…水素ガス分配部材、７２…水素ガス分配溝、７２ｉ…水素ガス分配溝の入口、７２ｏ…水素ガス分配溝の出口、８１…空気分配部材、８２…空気分配溝、８２ｉ…空気分配溝の入口、８２ｏ…空気分配溝の出口、８５…溝間凸部、８６…円弧形板部、８８…第二ガス分配溝、９１…入口側流通連絡部、９２…出口側流通連絡部、９５…第二シール。
Reference Signs List 1
Claims (9)
前記反応ガス流路の全流路幅よりも小さい開口寸法を有する前記反応ガスの入口と、
前記入口から前記反応ガス流路へ前記反応ガスを導くマニホールドと、
前記マニホールドに配置され、前記入口から流れ込む前記反応ガスを前記反応ガス流路へ放射状に分配する複数のガス分配溝を有し、かつ前記複数のガス分配溝の解放部分を前記マニホールドの内面で閉じられた一体のガス分配部材と、を備える燃料電池用セパレーター。 a reactant gas channel having a plurality of grooves for circulating the reactant gas;
an inlet for the reactant gas having an opening dimension smaller than the total width of the reactant gas channel;
a manifold that guides the reactant gas from the inlet to the reactant gas channel;
a plurality of gas distribution grooves arranged in the manifold for radially distributing the reaction gas flowing from the inlet to the reaction gas flow path, and open portions of the plurality of gas distribution grooves are closed by an inner surface of the manifold; and an integrated gas distribution member.
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