JP2010205669A

JP2010205669A - Separator and fuel cell including the same

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Publication number: JP2010205669A
Application number: JP2009052279A
Authority: JP
Inventors: Masayuki Ito; 雅之伊藤; Yoshifumi Ota; 佳史大田; Kenji Tsubosaka; 健二壷阪; Sho Usami; 祥宇佐美; Tomoyuki Takamura; 智之高村; Yuji Toko; 雄次都甲; Kazuo Yamamoto; 和男山本
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2009-03-05
Filing date: 2009-03-05
Publication date: 2010-09-16

Abstract

【課題】反応ガス流路抵抗を低減することができ、極間差圧が生じた場合であっても発電体との間に反応ガス流路を確保することができるセパレータおよび燃料電池を提供する。
【解決手段】セパレータ（３０，４０）は、燃料電池（１００）用のセパレータであって、発電体（１０）に対して突出して接触する接触部を有することによって、発電体へ反応ガスを供給するための反応ガス流路（５０，６０）を画定する流路画定部材（３１，４１）と、反応ガス流路の一部において、流路画定部材から発電体側に突出する凸部（３２，４２）と、を備え、凸部の突出距離は接触部の突出距離に比較して短いことを特徴とするものである。
【選択図】図１PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a separator and a fuel cell capable of reducing a reaction gas channel resistance and ensuring a reaction gas channel with a power generator even when an inter-electrode differential pressure is generated. .
A separator (30, 40) is a separator for a fuel cell (100), and has a contact portion that protrudes and contacts the power generation body (10), thereby supplying a reaction gas to the power generation body. A flow path demarcating member (31, 41) that delimits the reaction gas flow path (50, 60) and a convex portion (32, 42), and the protruding distance of the convex part is shorter than the protruding distance of the contact part.
[Selection] Figure 1

Description

本発明は、セパレータおよびそれを備えた燃料電池に関する。 The present invention relates to a separator and a fuel cell including the separator.

燃料電池は、一般的には水素および酸素を燃料として電気エネルギを得る装置である。この燃料電池は、環境面において優れており、また高いエネルギ効率を実現できることから、今後のエネルギ供給システムとして広く開発が進められてきている。 A fuel cell is a device that generally obtains electric energy using hydrogen and oxygen as fuel. Since this fuel cell is excellent in terms of the environment and can realize high energy efficiency, it has been widely developed as a future energy supply system.

燃料電池は、電解質膜を含む発電体と、発電体に供給される反応ガスが流動する反応ガス流路を区画するセパレータと、を備える。このような燃料電池において、反応ガス圧の変動に起因して発電体のカソードとアノードとの間に圧力差（以下、極間差圧と称する）が生じる場合がある。極間差圧が生じると発電体が変形して、反応ガス流路が閉塞するおそれがある。 The fuel cell includes a power generation body that includes an electrolyte membrane, and a separator that partitions a reaction gas passage through which a reaction gas supplied to the power generation body flows. In such a fuel cell, a pressure difference (hereinafter referred to as an inter-electrode differential pressure) may occur between the cathode and the anode of the power generation body due to fluctuations in the reaction gas pressure. When the pressure difference between the electrodes is generated, the power generator is deformed and the reaction gas flow path may be blocked.

特許文献１には、発電体側に複数のリブを有するセパレータが開示されている。この技術では、各リブ間が反応ガス流路として機能する。 Patent Document 1 discloses a separator having a plurality of ribs on the power generator side. In this technique, the ribs function as reaction gas flow paths.

特開２００８−１７１７８３号公報JP 2008-171783 A

特許文献１に係る技術では、極間差圧が生じても、発電体の変形が抑制される。しかしながら、リブに起因して発電体へのガス拡散性が低下する。 In the technique according to Patent Document 1, even when an inter-electrode differential pressure occurs, deformation of the power generation body is suppressed. However, the gas diffusibility to the power generator is reduced due to the rib.

本発明は、反応ガス流路抵抗を低減することができ、極間差圧が生じた場合であっても発電体との間に反応ガス流路を確保することができるセパレータおよび燃料電池を提供することを目的とする。 The present invention provides a separator and a fuel cell that can reduce a reaction gas flow path resistance and can ensure a reaction gas flow path between the reaction body and a power generator even when an inter-electrode differential pressure occurs. The purpose is to do.

本発明に係る第１のセパレータは、燃料電池用のセパレータであって、発電体に対して突出して接触する接触部を有することによって、発電体へ反応ガスを供給するための反応ガス流路を画定する流路画定部材と、反応ガス流路の一部において、流路画定部材から発電体側に突出する凸部と、を備え、凸部の突出距離は接触部の突出距離に比較して短いことを特徴とするものである。 The first separator according to the present invention is a separator for a fuel cell, and has a contact portion that protrudes and contacts the power generation body, thereby providing a reaction gas flow path for supplying a reaction gas to the power generation body. A flow path defining member to be defined, and a convex portion projecting from the flow path defining member to the power generator in a part of the reaction gas flow path, and a protruding distance of the convex portion is shorter than a protruding distance of the contact portion It is characterized by this.

本発明に係る第１のセパレータによれば、凸部の突出距離が流路画定部材の接触部の突出距離に比較して短いことから、極間差圧が生じていない場合には、発電体と凸部との間に反応ガスが流動する空間を確保することができる。よって、反応ガス流路抵抗を低減することができる。また、凸部は、反応ガス流路の一部において発電体側に突出していることから、極間差圧が生じて発電体が変形した場合においても、流路画定部材と発電体との間に反応ガス流路を確保することができる。 According to the first separator of the present invention, the protruding distance of the convex portion is shorter than the protruding distance of the contact portion of the flow path defining member. A space in which the reaction gas flows can be ensured between the protrusion and the convex portion. Therefore, the reaction gas channel resistance can be reduced. In addition, since the convex portion protrudes toward the power generation body in a part of the reaction gas flow path, even when an inter-electrode differential pressure is generated and the power generation body is deformed, the convex portion is interposed between the flow path defining member and the power generation body. A reaction gas channel can be secured.

上記構成において、凸部は、ガス透過性を有していてもよい。この構成によれば、凸部内を反応ガスが流動することができる。それにより、凸部がガス透過性を有しない場合に比較して、反応ガス流路抵抗を低減させることができる。 In the above configuration, the convex portion may have gas permeability. According to this configuration, the reaction gas can flow in the convex portion. Thereby, compared with the case where a convex part does not have gas permeability, reaction gas channel resistance can be reduced.

本発明に係る第２のセパレータは、燃料電池用のセパレータであって、発電体に対して突出して接触する接触部を有することによって、発電体へ反応ガスを供給するための反応ガス流路を画定する流路画定部材と、ガス透過性を有し、反応ガス流路に配置されたガス透過部材と、を備え、ガス透過部材の厚みは接触部の突出距離に比較して小さいことを特徴とするものである。 The second separator according to the present invention is a separator for a fuel cell, and has a contact portion that protrudes and contacts the power generation body, thereby providing a reaction gas flow path for supplying a reaction gas to the power generation body. And a gas permeable member having gas permeability and disposed in the reaction gas channel, wherein the thickness of the gas permeable member is smaller than the protruding distance of the contact portion. It is what.

本発明に係る第２のセパレータによれば、ガス透過部材の厚みが接触部の突出距離より小さいことから、極間差圧が生じていない場合には、発電体とガス流路部材との間に反応ガスが流動する空間を確保することができる。よって、ガス流路抵抗を低減することができる。また、ガス透過部材がガス透過性を有することから、極間差圧が生じて発電体が変形した場合においても、流路画定部材と発電体との間に反応ガス流路を確保することができる。 According to the second separator of the present invention, since the thickness of the gas permeable member is smaller than the protruding distance of the contact portion, when no inter-electrode differential pressure is generated, there is no gap between the power generation body and the gas flow path member. It is possible to secure a space for the reaction gas to flow. Therefore, the gas flow path resistance can be reduced. In addition, since the gas permeable member has gas permeability, it is possible to ensure a reaction gas flow path between the flow path defining member and the power generation body even when the pressure difference between the electrodes is generated and the power generation body is deformed. it can.

本発明に係る燃料電池は、発電体と、発電体を挟持する、請求項１〜３のいずれかに記載のセパレータと、を備えることを特徴とするものである。本発明に係る燃料電池によれば、請求項１〜３のいずれかに記載のセパレータを備えることから、反応ガス流路抵抗を低減することができ、極間差圧が生じた場合であっても発電体との間に反応ガス流路を確保することができる。 The fuel cell which concerns on this invention is equipped with the electric power generation body and the separator in any one of Claims 1-3 which clamps an electric power generation body, It is characterized by the above-mentioned. According to the fuel cell of the present invention, since the separator according to any one of claims 1 to 3 is provided, the reaction gas flow path resistance can be reduced, and an inter-electrode differential pressure is generated. In addition, a reaction gas flow path can be ensured between the power generation body.

上記構成において、発電体は、固体高分子電解質膜を含む膜−電極接合体であってもよい。上記構成は、発電体のセパレータ側に配置されガス透過性を有する集電体をさらに備えていてもよい。この構成によれば、燃料電池の集電効率を向上させることができる。 In the above configuration, the power generator may be a membrane-electrode assembly including a solid polymer electrolyte membrane. The said structure may further be equipped with the electrical power collector which is arrange | positioned at the separator side of an electric power generation body and has gas permeability. According to this configuration, the current collection efficiency of the fuel cell can be improved.

本発明によれば、反応ガス流路抵抗を低減することができ、極間差圧が生じた場合であっても発電体との間に反応ガス流路を確保することができるセパレータおよび燃料電池を提供することができる。 According to the present invention, a separator and a fuel cell that can reduce a reaction gas flow path resistance and can ensure a reaction gas flow path between the reaction body and a power generator even when an inter-electrode differential pressure occurs. Can be provided.

図１（ａ）は、極間差圧が生じていない場合における燃料電池の模式的断面図である。図１（ｂ）は、図１（ａ）の膜−電極接合体の拡大断面図である。図１（ｃ）は図１（ａ）のアノードセパレータを膜−電極接合体側から見た図である。FIG. 1A is a schematic cross-sectional view of a fuel cell when no inter-electrode differential pressure is generated. FIG.1 (b) is an expanded sectional view of the membrane-electrode assembly of Fig.1 (a). FIG.1 (c) is the figure which looked at the anode separator of Fig.1 (a) from the membrane-electrode assembly side. 図２は、極間差圧が生じた場合の燃料電池の模式的断面図である。FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of the fuel cell when an inter-electrode differential pressure is generated. 図３（ａ）は、極間差圧が生じていない場合における実施例２に係る燃料電池の模式的断面図である。図３（ｂ）は極間差圧が生じた場合における実施例２に係る燃料電池の模式的断面図である。FIG. 3A is a schematic cross-sectional view of the fuel cell according to Example 2 when no inter-electrode differential pressure is generated. FIG. 3B is a schematic cross-sectional view of the fuel cell according to Example 2 when an inter-electrode differential pressure is generated.

以下、本発明を実施するための形態を説明する。 Hereinafter, modes for carrying out the present invention will be described.

本発明の実施例１に係る燃料電池１００について説明する。図１（ａ）は、燃料電池１００の模式的断面図である。燃料電池１００は、膜−電極接合体１０と、集電体（アノード集電体２０およびカソード集電体２１）と、セパレータ（アノードセパレータ３０およびカソードセパレータ４０）と、を備える。図１（ｂ）は、図１（ａ）の膜−電極接合体１０の拡大断面図である。膜−電極接合体１０は、電解質膜１１と、アノード触媒層１２と、カソード触媒層１３と、アノードガス拡散層１４と、カソードガス拡散層１５と、を備える。 A fuel cell 100 according to Embodiment 1 of the present invention will be described. FIG. 1A is a schematic cross-sectional view of the fuel cell 100. The fuel cell 100 includes a membrane-electrode assembly 10, a current collector (anode current collector 20 and cathode current collector 21), and a separator (anode separator 30 and cathode separator 40). FIG.1 (b) is an expanded sectional view of the membrane-electrode assembly 10 of Fig.1 (a). The membrane-electrode assembly 10 includes an electrolyte membrane 11, an anode catalyst layer 12, a cathode catalyst layer 13, an anode gas diffusion layer 14, and a cathode gas diffusion layer 15.

電解質膜１１としては、例えばプロトン伝導性を有する固体高分子電解質を用いることができる。プロトン伝導性を有する固体高分子電解質膜として、例えばパーフルオロスルホン酸膜を用いることができる。 As the electrolyte membrane 11, for example, a solid polymer electrolyte having proton conductivity can be used. As a solid polymer electrolyte membrane having proton conductivity, for example, a perfluorosulfonic acid membrane can be used.

アノード触媒層１２およびカソード触媒層１３は、電解質膜１１に隣接して配置されている。アノード触媒層１２の触媒は、水素（Ｈ_２）のプロトン化を促進させる。カソード触媒層１３の触媒は、プロトンと酸素（Ｏ_２）との反応を促進させる。例えば、アノード触媒層１２およびカソード触媒層１３は、白金担持カーボン等を含んでいる。 The anode catalyst layer 12 and the cathode catalyst layer 13 are disposed adjacent to the electrolyte membrane 11. The catalyst of the anode catalyst layer 12 promotes protonation of hydrogen (H ₂ ). The catalyst of the cathode catalyst layer 13 promotes the reaction between protons and oxygen (O ₂ ). For example, the anode catalyst layer 12 and the cathode catalyst layer 13 contain platinum-supported carbon or the like.

アノードガス拡散層１４は、アノード触媒層１２の電解質膜１１と反対側に配置されている。カソードガス拡散層１５は、カソード触媒層１３の電解質膜１１側と反対側に配置されている。アノードガス拡散層１４は、水素を含むアノードガスを拡散させて、アノード触媒層１２に供給する機能を有する。カソードガス拡散層１５は、酸素を含むカソードガスを拡散させて、カソード触媒層１３に供給する機能を有する。アノードガス拡散層１４およびカソードガス拡散層１５としては、例えばカーボンペーパ、カーボンクロス等を用いることができる。 The anode gas diffusion layer 14 is disposed on the opposite side of the anode catalyst layer 12 from the electrolyte membrane 11. The cathode gas diffusion layer 15 is disposed on the opposite side of the cathode catalyst layer 13 from the electrolyte membrane 11 side. The anode gas diffusion layer 14 has a function of diffusing an anode gas containing hydrogen and supplying the anode gas to the anode catalyst layer 12. The cathode gas diffusion layer 15 has a function of diffusing a cathode gas containing oxygen and supplying it to the cathode catalyst layer 13. As the anode gas diffusion layer 14 and the cathode gas diffusion layer 15, for example, carbon paper, carbon cloth, or the like can be used.

燃料電池１００においては、膜−電極接合体１０にアノードガスおよびカソードガスが供給されることによって、発電が行われる。膜−電極接合体１０は燃料電池１００の発電体としての機能を有する。 In the fuel cell 100, power generation is performed by supplying anode gas and cathode gas to the membrane-electrode assembly 10. The membrane-electrode assembly 10 functions as a power generator of the fuel cell 100.

図１（ａ）を参照して、アノード集電体２０は、アノードガス拡散層１４の電解質膜１１とは反対側の面に沿って配置されている。カソード集電体２１は、カソードガス拡散層１５の電解質膜１１とは反対側の面に沿って配置されている。アノード集電体２０およびカソード集電体２１は、モータ、補機等の負荷と電気的に接続されている。 Referring to FIG. 1A, the anode current collector 20 is disposed along the surface of the anode gas diffusion layer 14 opposite to the electrolyte membrane 11. The cathode current collector 21 is disposed along the surface of the cathode gas diffusion layer 15 opposite to the electrolyte membrane 11. The anode current collector 20 and the cathode current collector 21 are electrically connected to a load such as a motor or an auxiliary machine.

アノード集電体２０およびカソード集電体２１は、導電性および反応ガス透過性を有している。アノード集電体２０およびカソード集電体２１として、例えば、カーボン繊維等の導電性繊維がクロス、フェルト、ペーパー等のシート状に形成されたシート体を用いることができる。また、アノード集電体２０およびカソード集電体２１として、金属の発泡焼結体、エキスパンドメタル、メタルメッシュ等を用いることができる。 The anode current collector 20 and the cathode current collector 21 have conductivity and reaction gas permeability. As the anode current collector 20 and the cathode current collector 21, for example, a sheet body in which conductive fibers such as carbon fibers are formed in a sheet shape such as cloth, felt, paper, or the like can be used. Further, as the anode current collector 20 and the cathode current collector 21, a metal foam sintered body, an expanded metal, a metal mesh, or the like can be used.

図１（ａ）を参照して、アノードセパレータ３０は、膜−電極接合体１０のアノード側に配置されたセパレータである。カソードセパレータ４０は、膜−電極接合体１０のカソード側に配置されたセパレータである。アノードセパレータ３０およびカソードセパレータ４０は、膜−電極接合体１０を挟持している。図１（ｃ）は図１（ａ）のアノードセパレータ３０を膜−電極接合体１０側から見た図である。なお、本実施例において、カソードセパレータ４０は図１（ｃ）と同様の構成を有しているため、図示を省略した。図１（ａ）および図１（ｃ）を参照して、アノードセパレータ３０は、流路画定部材３１と、凸部３２と、を有する。カソードセパレータ４０は、流路画定部材４１と、凸部４２と、を有する。 With reference to FIG. 1A, the anode separator 30 is a separator disposed on the anode side of the membrane-electrode assembly 10. The cathode separator 40 is a separator disposed on the cathode side of the membrane-electrode assembly 10. The anode separator 30 and the cathode separator 40 sandwich the membrane-electrode assembly 10. FIG. 1C is a view of the anode separator 30 of FIG. 1A viewed from the membrane-electrode assembly 10 side. In the present embodiment, the cathode separator 40 has the same configuration as that shown in FIG. With reference to FIG. 1A and FIG. 1C, the anode separator 30 has a flow path defining member 31 and a convex portion 32. The cathode separator 40 includes a flow path defining member 41 and a convex portion 42.

流路画定部材３１および流路画定部材４１（以下、総称して流路画定部材と称する）は、膜−電極接合体１０に対して突出して接触する接触部を有することによって、膜−電極接合体１０へ反応ガスを供給するための反応ガス流路を画定する部材である。本実施例において、流路画定部材の外周部が膜−電極接合体１０に対して突出して接触する接触部として機能する。アノードセパレータ３０の流路画定部材３１と膜−電極接合体１０との間の空間は、アノードガス流路５０として機能する。カソードセパレータ４０の流路画定部材４１と膜−電極接合体１０との間の空間は、カソードガス流路６０として機能する。 The flow path defining member 31 and the flow path defining member 41 (hereinafter collectively referred to as a flow path defining member) have a contact portion that protrudes and contacts the membrane-electrode assembly 10, thereby allowing membrane-electrode bonding. It is a member that defines a reaction gas flow path for supplying a reaction gas to the body 10. In the present embodiment, the outer peripheral portion of the flow path defining member functions as a contact portion that protrudes and contacts the membrane-electrode assembly 10. A space between the flow path defining member 31 of the anode separator 30 and the membrane-electrode assembly 10 functions as an anode gas flow path 50. A space between the flow path defining member 41 of the cathode separator 40 and the membrane-electrode assembly 10 functions as a cathode gas flow path 60.

流路画定部材の材質は、特に限定されず、例えば樹脂、金属等が用いられる。また、流路画定部材には、反応ガスが流入するための流入口および反応ガスが流出するための流出口が形成されている。 The material of the flow path defining member is not particularly limited, and for example, resin, metal or the like is used. Further, the flow path defining member is formed with an inlet for the reaction gas to flow in and an outlet for the reaction gas to flow out.

凸部３２および凸部４２（以下、総称して凸部と称する）は、反応ガス流路の一部において、流路画定部材から膜−電極接合体１０側に突出している。流路画定部材の外周部と凸部との間には、間隙が設けられている。また、各凸部間に、間隙が設けられている。凸部の突出距離（ｂ）は、流路画定部材の外周部の突出距離（ａ）に比較して短い。例えば、凸部の突出距離（ｂ）および流路画定部材の外周部の突出距離（ａ）は、１０（μｍ）＜ａ−ｂ＜１０（ｍｍ）を満たす。なお、本実施例において、凸部は、流路画定部材と一体として形成されたものであってもよく、別体として形成されたものであってもよい。また、凸部の形状、個数および隣接する凸部間の間隔は限定されない。 The convex portion 32 and the convex portion 42 (hereinafter collectively referred to as a convex portion) protrude from the flow path defining member toward the membrane-electrode assembly 10 side in a part of the reaction gas flow path. A gap is provided between the outer peripheral portion and the convex portion of the flow path defining member. Further, a gap is provided between the convex portions. The protruding distance (b) of the convex part is shorter than the protruding distance (a) of the outer peripheral part of the flow path defining member. For example, the protrusion distance (b) of the convex part and the protrusion distance (a) of the outer peripheral part of the flow path defining member satisfy 10 (μm) <ab−10 (mm). In this embodiment, the convex portion may be formed integrally with the flow path defining member or may be formed as a separate body. Further, the shape and number of convex portions and the interval between adjacent convex portions are not limited.

燃料電池１００は、以下のように動作する。アノードガス流路５０を流動するアノードガスは、アノード集電体２０を透過し、アノードガス拡散層１４を拡散してアノード触媒層１２に到達する。アノード触媒層１２において、アノードガス中の水素はプロトンと電子とに分離する。プロトンは、電解質膜１１を伝導して、カソード触媒層１３に到達する。電子は、アノード集電体２０によって集電されて燃料電池１００の外部に取り出される。燃料電池１００の外部に取り出された電子は、負荷の仕事に供された後に、カソード集電体２１に到達する。 The fuel cell 100 operates as follows. The anode gas flowing through the anode gas flow path 50 passes through the anode current collector 20, diffuses through the anode gas diffusion layer 14, and reaches the anode catalyst layer 12. In the anode catalyst layer 12, hydrogen in the anode gas is separated into protons and electrons. Protons are conducted through the electrolyte membrane 11 and reach the cathode catalyst layer 13. The electrons are collected by the anode current collector 20 and taken out of the fuel cell 100. The electrons taken out of the fuel cell 100 reach the cathode current collector 21 after being used for load work.

カソードガス流路６０を流動するカソードガスは、カソード集電体２１を透過し、カソードガス拡散層１５を拡散してカソード触媒層１３に到達する。カソード触媒層１３においては、カソードガス中の酸素と電解質膜１１を伝導したプロトンとアノード集電体２０から伝導した電子とによって水が生成される。反応後のアノードガスおよびカソードガスはそれぞれ、アノードガス流路５０およびカソードガス流路６０を流動して、燃料電池１００の外部に排出される。生成された水（生成水）は、主としてカソードガス流路６０を流動して燃料電池１００の外部に排出される。以上のように、燃料電池１００は動作する。 The cathode gas flowing through the cathode gas flow path 60 passes through the cathode current collector 21, diffuses through the cathode gas diffusion layer 15, and reaches the cathode catalyst layer 13. In the cathode catalyst layer 13, water is generated by oxygen in the cathode gas, protons conducted through the electrolyte membrane 11, and electrons conducted from the anode current collector 20. The anode gas and cathode gas after the reaction flow through the anode gas channel 50 and the cathode gas channel 60, respectively, and are discharged to the outside of the fuel cell 100. The generated water (generated water) mainly flows through the cathode gas channel 60 and is discharged to the outside of the fuel cell 100. As described above, the fuel cell 100 operates.

ここで、図１（ａ）を参照して、凸部の突出距離（ｂ）が流路画定部材の外周部の突出距離（ａ）と同じである場合、凸部は膜−電極接合体１０または集電体に常時接触していることになる。この場合、凸部に起因して反応ガス流路における反応ガス流路抵抗が大きくなる。また、集電体および膜−電極接合体１０における凸部の直下の領域においては、ガス拡散性が悪化する。 Here, with reference to FIG. 1A, when the protruding distance (b) of the convex portion is the same as the protruding distance (a) of the outer peripheral portion of the flow path defining member, the convex portion is the membrane-electrode assembly 10. Or, it is always in contact with the current collector. In this case, the reaction gas channel resistance in the reaction gas channel increases due to the convex portion. Further, in the current collector and the region immediately below the convex portion in the membrane-electrode assembly 10, the gas diffusibility deteriorates.

これに対して、本実施例に係る燃料電池１００によれば、前述したように凸部の突出距離（ｂ）は流路画定部材の外周部の突出距離（ａ）に比較して短い。この場合、極間差圧が生じていない場合には、膜−電極接合体１０および集電体と凸部とは接触しない。それにより、膜−電極接合体１０と凸部との間に反応ガスが流動する空間を確保することができる。その結果、反応ガス流路抵抗を低減することができる。また、集電体および膜−電極接合体１０において常時接触することがないので、膜−電極接合体１０の全面において、ガス拡散性が悪化することがなく、発電を阻害しない。 On the other hand, according to the fuel cell 100 according to the present embodiment, as described above, the protruding distance (b) of the convex portion is shorter than the protruding distance (a) of the outer peripheral portion of the flow path defining member. In this case, when no inter-electrode differential pressure is generated, the membrane-electrode assembly 10 and the current collector are not in contact with the convex portion. Thereby, the space where the reactive gas flows can be ensured between the membrane-electrode assembly 10 and the convex portion. As a result, the reaction gas channel resistance can be reduced. Further, since the current collector and the membrane-electrode assembly 10 are not always in contact with each other, the gas diffusibility is not deteriorated over the entire surface of the membrane-electrode assembly 10 and power generation is not hindered.

図２は、極間差圧が生じた場合の燃料電池１００の模式的断面図である。例えば、カソードガスの圧力がアノードガスの圧力より高くなった場合、膜−電極接合体１０および集電体が、アノードセパレータ３０の凸部３２側へ撓むことがある。この場合、アノードガス流路５０が狭小化する。しかしながら、互いに間隙を有する凸部３２によって膜−電極接合体１０および集電体の変形が抑制される。その結果、アノードガス流路５０の狭小化が抑制されるとともに、流路画定部材３１と膜−電極接合体１０との間にアノードガス流路５０を確保することができる。 FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of the fuel cell 100 when an inter-electrode differential pressure is generated. For example, when the pressure of the cathode gas becomes higher than the pressure of the anode gas, the membrane-electrode assembly 10 and the current collector may bend toward the convex portion 32 side of the anode separator 30. In this case, the anode gas channel 50 is narrowed. However, deformation of the membrane-electrode assembly 10 and the current collector is suppressed by the convex portions 32 having a gap therebetween. As a result, narrowing of the anode gas channel 50 is suppressed, and the anode gas channel 50 can be secured between the channel defining member 31 and the membrane-electrode assembly 10.

以上のように、本実施例に係る燃料電池１００によれば、凸部が膜−電極接合体１０または集電体に常時接触している場合に比較して、反応ガス流路抵抗を低減することができる。また、極間差圧が生じた場合であっても膜−電極接合体１０と流路画定部材との間に反応ガス流路を確保することができる。集電体および膜−電極接合体１０の全面において、ガス拡散性が悪化することがなく、発電を阻害しない。 As described above, according to the fuel cell 100 according to the present embodiment, the reaction gas channel resistance is reduced as compared with the case where the convex portion is constantly in contact with the membrane-electrode assembly 10 or the current collector. be able to. In addition, even when an inter-electrode differential pressure is generated, a reactive gas channel can be secured between the membrane-electrode assembly 10 and the channel defining member. On the entire surface of the current collector and the membrane-electrode assembly 10, gas diffusibility is not deteriorated and power generation is not hindered.

なお、凸部は、ガス透過性を有することが好ましい。この構成によれば、凸部内を反応ガスが流動することができることから、反応ガス流路抵抗を低減させることができる。例えば、多孔質の材料で凸部を構成することによって、凸部はガス透過性を有することができる。それにより、ガス流路抵抗を低減させることができ、また、極間差圧により集電体および膜−電極接合体１０と凸部とが接触した場合においても、凸部直下の領域において、ガス拡散性を悪化させることがない。多孔質の材料としては、例えば多孔質の金属材料、焼結フィルタ、多孔質の樹脂等を用いることができる。 In addition, it is preferable that a convex part has gas permeability. According to this configuration, since the reaction gas can flow in the convex portion, the reaction gas flow path resistance can be reduced. For example, a convex part can have gas permeability by comprising a convex part with a porous material. Thereby, the gas flow path resistance can be reduced, and even when the current collector and the membrane-electrode assembly 10 are in contact with the convex portion due to the differential pressure between the electrodes, Does not worsen diffusivity. As the porous material, for example, a porous metal material, a sintered filter, a porous resin, or the like can be used.

続いて、本発明の実施例２に係る燃料電池１００ａについて説明する。図３（ａ）は、極間差圧が生じていない場合における燃料電池１００ａの模式的断面図である。図３（ｂ）は極間差圧が生じた場合における燃料電池１００ａの模式的断面図である。燃料電池１００ａは、アノードセパレータ３０およびカソードセパレータ４０の代わりに、それぞれアノードセパレータ３０ａおよびカソードセパレータ４０ａを備える点において、実施例１に係る燃料電池１００と異なる。アノードセパレータ３０ａは、凸部３２の代わりにガス透過部材３５を備える。カソードセパレータ４０ａは、凸部４２の代わりにガス透過部材４５を備える。その他の構成は、燃料電池１００と同様のため、説明を省略する。 Next, the fuel cell 100a according to Example 2 of the present invention will be described. FIG. 3A is a schematic cross-sectional view of the fuel cell 100a when no inter-electrode differential pressure is generated. FIG. 3B is a schematic cross-sectional view of the fuel cell 100a when an inter-electrode differential pressure is generated. The fuel cell 100a is different from the fuel cell 100 according to the first embodiment in that an anode separator 30a and a cathode separator 40a are provided instead of the anode separator 30 and the cathode separator 40, respectively. The anode separator 30 a includes a gas permeable member 35 instead of the convex portion 32. The cathode separator 40 a includes a gas permeable member 45 instead of the convex portion 42. Since other configurations are the same as those of the fuel cell 100, the description thereof is omitted.

ガス透過部材３５およびガス透過部材４５（以下、総称してガス透過部材と称する）は、ガス透過性を有している。ガス透過部材の材料としては、例えば、多孔質の材料が用いられる。多孔質の材料としては、例えば多孔質の金属材料、焼結フィルタ、多孔質の樹脂等を用いることができる。ガス透過部材がガス透過性を有することによって、ガス透過部材は、反応ガス流路としての機能を有することができる。 The gas permeable member 35 and the gas permeable member 45 (hereinafter collectively referred to as a gas permeable member) have gas permeability. As the material of the gas permeable member, for example, a porous material is used. As the porous material, for example, a porous metal material, a sintered filter, a porous resin, or the like can be used. When the gas permeable member has gas permeability, the gas permeable member can have a function as a reaction gas flow path.

また、ガス透過部材は、流路画定部材の外周部の内側に平板状に設けられている。したがって、ガス透過部材は、突起形状を有していない。ガス透過部材が突起形状を有しないことによって、セパレータの構造を簡素化することができる。 The gas permeable member is provided in a flat plate shape on the inner side of the outer periphery of the flow path defining member. Therefore, the gas permeable member does not have a protruding shape. Since the gas permeable member does not have a protruding shape, the structure of the separator can be simplified.

ガス透過部材の厚みは、流路画定部材の外周部の突出距離に比較して小さい。それにより、極間差圧が生じていない場合に、膜−電極接合体１０とガス透過部材との間に反応ガスが流動する空間を形成することができる。この場合、反応ガス流路抵抗を低減することができる。また、ガス透過部材がガス透過性を有することによって反応ガス流路として機能することから、図３（ｂ）に示すように極間差圧が生じた場合においても、反応ガス流路を確保することができる。また、ガス透過部材がガス透過性を有することから、接触部直下の領域においてガス拡散性を悪化させることがない。 The thickness of the gas permeable member is smaller than the protruding distance of the outer peripheral portion of the flow path defining member. Thereby, when no inter-electrode differential pressure is generated, a space in which the reaction gas flows can be formed between the membrane-electrode assembly 10 and the gas permeable member. In this case, the reaction gas flow path resistance can be reduced. In addition, since the gas permeable member functions as a reactive gas flow path by having gas permeability, the reactive gas flow path is secured even when an inter-electrode differential pressure occurs as shown in FIG. be able to. Further, since the gas permeable member has gas permeability, the gas diffusibility is not deteriorated in the region immediately below the contact portion.

なお、燃料電池１００ａのアノードセパレータ３０ａおよびカソードセパレータ４０ａのいずれか一方は、実施例１の燃料電池１００のセパレータであってもよい。また、燃料電池１００および燃料電池１００ａは、例えばセパレータが集電体としての機能を有する構成（例えば、セパレータが導電性材料からなる場合）であれば、集電体を備えていなくてもよい。しかしながら、燃料電池１００および燃料電池１００ａが集電体を備えることによって、膜−電極接合体１０から電力を効率的に取り出すことができる。また、この場合、セパレータの導電性が不要となることから、セパレータの材質選択の幅が広がる。 Note that one of the anode separator 30a and the cathode separator 40a of the fuel cell 100a may be the separator of the fuel cell 100 of the first embodiment. In addition, the fuel cell 100 and the fuel cell 100a may not include the current collector as long as the separator has a function as a current collector (for example, when the separator is made of a conductive material). However, when the fuel cell 100 and the fuel cell 100a include the current collector, electric power can be efficiently taken out from the membrane-electrode assembly 10. In this case, since the separator does not need to be conductive, the range of separator material selection is widened.

１０膜−電極接合体
１１電解質膜
１２アノード触媒層
１３カソード触媒層
１４アノードガス拡散層
１５カソードガス拡散層
２０アノード集電体
２１カソード集電体
３０アノードセパレータ
３１流路画定部材
３２凸部
３５ガス透過部材
４０カソードセパレータ
４１流路画定部材
４２凸部
４５ガス透過部材
５０アノードガス流路
６０カソードガス流路
１００燃料電池 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Membrane-electrode assembly 11 Electrolyte membrane 12 Anode catalyst layer 13 Cathode catalyst layer 14 Anode gas diffusion layer 15 Cathode gas diffusion layer 20 Anode current collector 21 Cathode current collector 30 Anode separator 31 Channel defining member 32 Convex portion 35 Gas Permeable member 40 Cathode separator 41 Flow path defining member 42 Protrusion 45 Gas permeable member 50 Anode gas flow path 60 Cathode gas flow path 100 Fuel cell

Claims

A separator for a fuel cell,
A flow path defining member that defines a reaction gas flow path for supplying a reaction gas to the power generation body by having a contact portion that protrudes and contacts the power generation body;
In a part of the reaction gas flow path, a protrusion projecting from the flow path defining member toward the power generator, and
The separator characterized in that the protruding distance of the convex part is shorter than the protruding distance of the contact part.

The separator according to claim 1, wherein the convex portion has gas permeability.

A separator for a fuel cell,
A flow path defining member that defines a reaction gas flow path for supplying a reaction gas to the power generation body by having a contact portion that protrudes and contacts the power generation body;
A gas permeable member having gas permeability and disposed in the reaction gas flow path,
The separator characterized by the thickness of the said gas permeable member being small compared with the protrusion distance of the said contact part.

A power generator,
A fuel cell comprising: the separator according to claim 1, which sandwiches the power generation body.

The fuel cell according to claim 4, wherein the power generator is a membrane-electrode assembly including a solid polymer electrolyte membrane.

6. The fuel cell according to claim 4, further comprising a current collector that is disposed on the separator side of the power generation body and has gas permeability.