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JP4635451B2 - Fuel cell and separator - Google Patents

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JP4635451B2
JP4635451B2 JP2004045601A JP2004045601A JP4635451B2 JP 4635451 B2 JP4635451 B2 JP 4635451B2 JP 2004045601 A JP2004045601 A JP 2004045601A JP 2004045601 A JP2004045601 A JP 2004045601A JP 4635451 B2 JP4635451 B2 JP 4635451B2
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porous
separator
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成亮 村田
誠治 佐野
荘吾 後藤
雅史 小林
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Description

本発明は、燃料電池およびセパレータに関し、特に、生成水を効率良く排出する技術に関する。   The present invention relates to a fuel cell and a separator, and more particularly to a technique for efficiently discharging generated water.

固体電解質膜型の燃料電池において、発電反応に伴い電極において生成される水分(以下、生成水という。)による発電効率の低下が問題となっている。そこで、生成水を除去するための技術が種々提案されている。例えば、燃料電池を構成するセパレータを多孔質とし、生成水をセパレータの多孔質部に吸い上げる技術が知られている(例えば、特許文献1参照)。   In a solid electrolyte membrane type fuel cell, there is a problem of a decrease in power generation efficiency due to moisture (hereinafter referred to as generated water) generated in an electrode in response to a power generation reaction. Therefore, various techniques for removing generated water have been proposed. For example, a technique is known in which a separator constituting a fuel cell is made porous, and generated water is sucked into a porous portion of the separator (see, for example, Patent Document 1).

特表平11−508726号公報Japanese National Patent Publication No. 11-508726

しかしながら、上記従来の技術では、多孔質体のセパレータと、生成水が凝縮する拡散層との良好な接触については考慮されていない。このため、拡散層中に凝縮している生成水を十分にセパレータに吸収できないおそれがあった。   However, the above-described conventional technology does not consider good contact between the porous separator and the diffusion layer in which the generated water is condensed. For this reason, there was a possibility that the generated water condensed in the diffusion layer could not be sufficiently absorbed by the separator.

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、多孔質体のセパレータを備える燃料電池において、拡散層中の生成水を効率良く除去することを目的とする。   The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to efficiently remove generated water in a diffusion layer in a fuel cell including a porous separator.

上記課題を解決するために本発明の第1の態様は、燃料電池を提供する。本発明の第の態様は、燃料電池を提供する。本発明の第の態様に係る燃料電池は、両面に触媒層が配置されている電解質膜と、前記電解質膜の両面に前記触媒層を挟んで配置される拡散層と、液体の透過を許容しない緻密部と液体の透過を許容する多孔質部とを有し、前記電解質膜および前記拡散層と組み付けられた際に、前記拡散層と接触する接触領域と、前記拡散層と接触せず前記拡散層との間に反応ガス流路を形成する非接触領域とを、前記多孔質部および前記緻密部にそれぞれ有するセパレータであって、前記多孔質部における前記非接触領域に対する前記接触領域の領域面積比が、前記緻密部における前記非接触領域に対する前記接触領域の領域面積比より大きいセパレータとを備えることを特徴とする。
In order to solve the above problems, a first aspect of the present invention provides a fuel cell. A first aspect of the present invention provides a fuel cell. The fuel cell according to the first aspect of the present invention allows an electrolyte membrane having catalyst layers disposed on both sides thereof, a diffusion layer disposed on both sides of the electrolyte membrane with the catalyst layers sandwiched therebetween, and allows permeation of liquid. A dense portion and a porous portion that allows liquid permeation, and when assembled with the electrolyte membrane and the diffusion layer, a contact region that comes into contact with the diffusion layer, and no contact with the diffusion layer A separator having a non-contact region that forms a reaction gas flow channel with the diffusion layer in each of the porous portion and the dense portion, and the region of the contact region with respect to the non-contact region in the porous portion A separator having an area ratio larger than a region area ratio of the contact region to the non-contact region in the dense portion is provided.

本発明の第の態様に係る燃料電池によれば、緻密部と多孔質部とから成るセパレータにおける拡散層と接触する領域の、拡散層と接触せずに反応ガス流路を形成する領域に対する領域面積比を、多孔質部において、緻密部より大きくしているので、拡散層中に凝縮している生成水を効率良くセパレータの多孔質部に吸収させることができる。
According to the fuel cell of the first aspect of the present invention, the region in contact with the diffusion layer in the separator composed of the dense portion and the porous portion with respect to the region in which the reaction gas flow path is formed without being in contact with the diffusion layer. Since the area area ratio is made larger in the porous portion than in the dense portion, the produced water condensed in the diffusion layer can be efficiently absorbed by the porous portion of the separator.

本発明の第の態様に係る燃料電池において、前記セパレータは、前記多孔質部における前記接触領域に、前記多孔質部と前記拡散層との接触面積を増大させる接触面積増大部を有するのが好ましい。かかる場合には、セパレータの多孔質部と拡散層との接触領域において接触面積を増大させる接触面積増大部を有するので、拡散層中に凝縮している生成水をさらに効率良くセパレータの多孔質部に吸収させることができる。
In the fuel cell according to the first aspect of the present invention, the separator has a contact area increasing portion that increases a contact area between the porous portion and the diffusion layer in the contact region of the porous portion. preferable. In such a case, since it has a contact area increasing portion that increases the contact area in the contact region between the porous portion of the separator and the diffusion layer, the generated water condensed in the diffusion layer is more efficiently removed. Can be absorbed.

上記燃料電池において、前記接触面積増大部は、前記多孔質部と前記拡散層との接触面に凹凸形状を有する凹凸形状部であっても良い。また、前記多孔質部と前記拡散層との接触面に曲面形状を有する曲面形状部であっても良い。かかる場合には、多孔質部の拡散層との接触面が、凹凸形状または曲面を有するので、拡散層との接触面積が増大し、拡散層中に凝縮している生成水を効率良くセパレータの多孔質部に吸収させることができる。   In the fuel cell, the contact area increasing portion may be an uneven shape portion having an uneven shape on a contact surface between the porous portion and the diffusion layer. Moreover, the curved surface part which has a curved surface shape in the contact surface of the said porous part and the said diffusion layer may be sufficient. In such a case, since the contact surface of the porous portion with the diffusion layer has an uneven shape or a curved surface, the contact area with the diffusion layer increases, and the water condensed in the diffusion layer is efficiently removed from the separator. It can be absorbed in the porous part.

上記燃料電池において、前記接触面積増大部は、前記多孔質部と前記拡散層との接触面に粗度が高い表面を有する高粗度表面部であっても良い。かかる場合には、かかる場合には、多孔質部の拡散層との接触面の表面粗さが粗いので、拡散層との接触面積が増大し、拡散層中に凝縮している生成水を効率良くセパレータの多孔質部に吸収させることができる。   In the fuel cell, the contact area increasing portion may be a high roughness surface portion having a high roughness surface on a contact surface between the porous portion and the diffusion layer. In such a case, since the surface roughness of the contact surface of the porous part with the diffusion layer is rough, the contact area with the diffusion layer is increased, and the generated water condensed in the diffusion layer is efficiently used. It can be well absorbed by the porous portion of the separator.

本発明の第の態様は、両面に触媒層が配置されている電解質膜と、該電解質膜の両面に前記触媒層を挟んで配置される拡散層とを挟持して燃料電池を構成するセパレータを提供する。本発明の第の態様に係るセパレータは、前記電解質膜および前記拡散層と組み付けられた際に、前記拡散層と接触する接触領域と、前記拡散層と接触せず前記拡散層との間に反応ガス流路を形成する非接触領域とを有し、液体の透過を許容しない緻密部と、前記接触領域と前記非接触領域とを有し、液体の透過を許容する多孔質部であって、前記非接触領域に対する前記接触領域の領域面積比が、前記緻密部における前記非接触領域に対する前記接触領域の領域面積比より大きい多孔質部とを備えることを特徴とする。
A second aspect of the present invention is a separator that constitutes a fuel cell by sandwiching an electrolyte membrane having catalyst layers disposed on both sides and a diffusion layer disposed on both sides of the electrolyte membrane with the catalyst layer sandwiched therebetween. I will provide a. When the separator according to the second aspect of the present invention is assembled with the electrolyte membrane and the diffusion layer, the separator is in contact with the diffusion layer and the diffusion layer without being in contact with the diffusion layer. A non-contact region that forms a reaction gas flow path, a dense portion that does not allow liquid permeation, and a porous portion that includes the contact region and the non-contact region and allows liquid permeation. And a porous portion having a region area ratio of the contact region with respect to the non-contact region larger than a region area ratio of the contact region with respect to the non-contact region in the dense portion.

本発明の第の態様に係るセパレータを用いて燃料電池を構成すれば、本発明の第の態様に係る燃料電池と同様の作用効果を得ることができる。また、本発明の第の態様に係るセパレータは、本発明の第の態様に係る燃料電池と同様にして種々の態様にて実現される。
If the fuel cell is configured using the separator according to the second aspect of the present invention, the same operational effects as those of the fuel cell according to the first aspect of the present invention can be obtained. The separator according to the second aspect of the present invention is realized in various aspects in the same manner as the fuel cell according to the first aspect of the present invention.

以下、本発明に係る燃料電池について、図面を参照しつつ、実施例に基づいて説明する。   Hereinafter, a fuel cell according to the present invention will be described based on examples with reference to the drawings.

・第1の実施例:
図1〜図5を参照して第1の実施例に係る燃料電池の概略構成について説明する。図1は本実施例に係る燃料電池の外観の概略構成を示す説明図である。図2は本実施例に係る燃料電池を構成するカソードセパレータの膜−電極アッセンブリとの対向面(以下、電極対向面という。)の概略構成を示す説明図である。図3は本実施例に係る燃料電池を構成するカソードセパレータの冷却流路が形成されている面(以下、冷却流路面という。)の概略構成を示す説明図である。図4は本実施例に係る燃料電池を構成するアノードセパレータの電極対向面の概略構成を示す説明図である。図5は、本実施例に係る燃料電池の一部を縦方向に(例えば、図2の5−5線にて)切断した縦断面の概略構成を示す説明図である。
First embodiment:
A schematic configuration of the fuel cell according to the first embodiment will be described with reference to FIGS. FIG. 1 is an explanatory diagram showing a schematic external configuration of the fuel cell according to the present embodiment. FIG. 2 is an explanatory view showing a schematic configuration of a facing surface (hereinafter referred to as an electrode facing surface) of the cathode separator constituting the fuel cell according to the present embodiment with the membrane-electrode assembly. FIG. 3 is an explanatory diagram showing a schematic configuration of a surface (hereinafter referred to as a cooling channel surface) on which a cooling channel of the cathode separator constituting the fuel cell according to the present embodiment is formed. FIG. 4 is an explanatory diagram showing a schematic configuration of the electrode facing surface of the anode separator constituting the fuel cell according to the present embodiment. FIG. 5 is an explanatory diagram showing a schematic configuration of a longitudinal section obtained by cutting a part of the fuel cell according to the present embodiment in the longitudinal direction (for example, along line 5-5 in FIG. 2).

本実施例に係る燃料電池10は、複数の単セル20と、エンドプレート30と、テンションプレート31を備えている。複数の単セル20は、2枚のエンドプレート30によって挟まれ、テンションプレート31がボルト32によって各エンドプレート30に結合されることによって、スタック状の燃料電池10を形成する。   The fuel cell 10 according to the present embodiment includes a plurality of single cells 20, an end plate 30, and a tension plate 31. The plurality of single cells 20 are sandwiched between two end plates 30, and a tension plate 31 is coupled to each end plate 30 by bolts 32, thereby forming a stacked fuel cell 10.

単セル20は、膜−電極アッセンブリ21、カソードセパレータ22、アノードセパレータ23とによって構成されている。単セル20は、カソードセパレータ22とアノードセパレータ23とが接するようにして複数個積層される。   The single cell 20 includes a membrane-electrode assembly 21, a cathode separator 22, and an anode separator 23. A plurality of single cells 20 are stacked such that the cathode separator 22 and the anode separator 23 are in contact with each other.

膜−電極アッセンブリ21は、図5に示すように、イオン交換膜からなる電解質膜211と、電解質膜211の一方の面に配置された触媒層からなる電極(例えば、アノード電極、図示せず)、電解質膜211の他方の面に配置された触媒層からなる電極(例えば、カソード電極、図示せず)、各触媒層のセパレータ対向面に配置された拡散層212とを備えている。なお、膜−電極アッセンブリ21は、電解質膜211と触媒層(電極)から構成されるものとし、これに別体の構成部材として拡散層212が備えられても良い。いずれの場合にも、電解質膜211、触媒層および拡散層212が両セパレータ22、23によって挟持される。   As shown in FIG. 5, the membrane-electrode assembly 21 includes an electrolyte membrane 211 made of an ion exchange membrane, and an electrode made of a catalyst layer disposed on one surface of the electrolyte membrane 211 (for example, an anode electrode, not shown). And an electrode (for example, a cathode electrode, not shown) made of a catalyst layer disposed on the other surface of the electrolyte membrane 211, and a diffusion layer 212 disposed on the separator facing surface of each catalyst layer. The membrane-electrode assembly 21 includes an electrolyte membrane 211 and a catalyst layer (electrode), and a diffusion layer 212 may be provided as a separate component. In either case, the electrolyte membrane 211, the catalyst layer, and the diffusion layer 212 are sandwiched between the separators 22 and 23.

カソードセパレータ22は、例えば、カーボン、金属、導電性樹脂といった導電性材料から形成されている。カソードセパレータ22は、そのほとんどが緻密質部で形成されているが、図2および図3における下側中央領域は多孔質部40にて形成されている。多孔質部40は、例えば、ポーラス状に形成されたカーボン、焼結金属または金属メッシュといった多孔質の金属を用いることで緻密質部と同一の材料にて形成され得る。多孔質部40は緻密質部と一体に成形されても良く、あるいは別に成形した後に緻密質部と接合または結合されても良い。   The cathode separator 22 is made of a conductive material such as carbon, metal, or conductive resin. Most of the cathode separator 22 is formed of a dense portion, but the lower central region in FIGS. 2 and 3 is formed of a porous portion 40. The porous part 40 can be formed of the same material as the dense part by using a porous metal such as carbon, sintered metal, or metal mesh formed in a porous shape. The porous portion 40 may be molded integrally with the dense portion, or may be joined or bonded to the dense portion after being separately molded.

カソードセパレータ22は、電極対向面22aと冷却流路面22bとを備えている。カソードセパレータ22は、酸化ガス供給部221a、酸化ガス排出部221b、燃料ガス供給部222a、燃料ガス排出部222bを備えている。酸化ガス流路形成部(225S、225P)は、上流で酸化ガス供給部221aと、下流で酸化ガス排出部221bと連通している。酸化ガスは、酸化ガス供給部221aから酸化ガス流路形成部(225S、225P)と拡散層212との間に形成される酸化ガス流路に導入され、図2に示すように流動して、酸化ガス排出部221bから排出される。   The cathode separator 22 includes an electrode facing surface 22a and a cooling flow path surface 22b. The cathode separator 22 includes an oxidizing gas supply unit 221a, an oxidizing gas discharge unit 221b, a fuel gas supply unit 222a, and a fuel gas discharge unit 222b. The oxidizing gas flow path forming part (225S, 225P) communicates with the oxidizing gas supply part 221a upstream and with the oxidizing gas discharge part 221b downstream. The oxidizing gas is introduced from the oxidizing gas supply unit 221a into the oxidizing gas channel formed between the oxidizing gas channel forming unit (225S, 225P) and the diffusion layer 212, and flows as shown in FIG. It is discharged from the oxidizing gas discharge unit 221b.

カソードセパレータ22は、さらに、冷却液供給部223a、冷却液排出部223b、冷却ガス供給部224a、冷却ガス排出部224bを備えている。これらを介して、冷却液および冷却ガスの燃料電池10への供給、燃料電池10からの排出が行われる。なお、図2および図3から明らかなように、冷却ガス排出部224bおよび酸化ガス供給部221aは同一の開口部によって実現され、この開口部は、両方の機能を果たす。   The cathode separator 22 further includes a coolant supply part 223a, a coolant discharge part 223b, a coolant gas supply part 224a, and a coolant gas discharge part 224b. Through these, the coolant and the cooling gas are supplied to the fuel cell 10 and discharged from the fuel cell 10. As is clear from FIGS. 2 and 3, the cooling gas discharge unit 224b and the oxidizing gas supply unit 221a are realized by the same opening, and the opening serves both functions.

カソードセパレータ22の電極対向面22aについて、図2を参照して説明する。カソードセパレータ22の電極対向面22aの略中央は、組み付け時に膜−電極アッセンブリ21のカソード電極側に配置された拡散層212と対向する領域DA(以下、拡散層対向領域DAという。)を形成する。拡散層対向領域DAは、組み付け時に拡散層212と接触する領域(以下、接触領域という。)と、組み付け時に拡散層212と接触しないで、拡散層212との間に酸化ガス流路を形成する領域(以下、非接触領域という。)とを有する。図2において、接触領域は、ハッチングされている領域229S、および、クロスハッチングされている領域229Pであり、非接触領域は、酸化ガス流路形成部(225S、225P)が形成されている領域である。カソードセパレータ22は、接触領域(229S、229P)において、隣合う単セル20間を電気的に接続する機能を果たすと共に、非接触領域(酸化ガス流路形成部225S、225P)において、カソード電極に酸化ガスを供給する機能を果たす。   The electrode facing surface 22a of the cathode separator 22 will be described with reference to FIG. A substantially center of the electrode facing surface 22a of the cathode separator 22 forms a region DA (hereinafter referred to as a diffusion layer facing region DA) facing the diffusion layer 212 disposed on the cathode electrode side of the membrane-electrode assembly 21 when assembled. . The diffusion layer facing area DA forms an oxidizing gas flow path between a region that contacts the diffusion layer 212 during assembly (hereinafter referred to as a contact region) and a diffusion layer 212 that does not contact the diffusion layer 212 during assembly. Region (hereinafter referred to as a non-contact region). In FIG. 2, the contact area is a hatched area 229S and a cross-hatched area 229P, and the non-contact area is an area where the oxidizing gas flow path forming portion (225S, 225P) is formed. is there. The cathode separator 22 functions to electrically connect the adjacent single cells 20 in the contact region (229S, 229P), and serves as a cathode electrode in the non-contact region (oxidation gas flow path forming portions 225S, 225P). It fulfills the function of supplying oxidizing gas.

カソードセパレータ22の多孔質部40は、上述した機能に加えて、単セル20の起電反応に伴い、カソード側で生成される水(生成水)を毛細管現象により吸収し、フラッディングを防止する機能を有する。このため、多孔質部40は、生成水が滞留しやすい拡散層対向領域DAの下部領域に配置されている。特に多孔質部40における接触領域229Pは、生成水が拡散層212から酸化ガス流路へ進入し、滞留、結露することによって発電反応を阻害する前に、拡散層212から直接、生成水を多孔質部40内に吸い上げることができる。   In addition to the above-described function, the porous portion 40 of the cathode separator 22 absorbs water (generated water) generated on the cathode side due to the electromotive reaction of the single cell 20 by capillarity and prevents flooding. Have For this reason, the porous part 40 is arrange | positioned in the lower area | region of the diffusion layer opposing area | region DA where generated water tends to stay. In particular, the contact region 229P in the porous portion 40 allows the generated water to pass directly from the diffusion layer 212 before the generated water enters the oxidizing gas flow channel from the diffusion layer 212 and stays and condenses to inhibit the power generation reaction. It can be sucked into the mass part 40.

本実施例では、多孔質部40における接触領域229Pの非接触領域(酸化ガス流路形成部225P)に対する領域面積比を、緻密質部における接触領域229Sの非接触領域(酸化ガス流路形成部225S)に対する領域面積比より大きく設定している。具体的には、図5に示すように、接触領域と非接触領域は、断面図において山部と溝部を交互に配置することによって形成されているが、多孔質部40において接触領域を形成する山部の幅A2と非接触領域を形成する溝部の幅B2の比A2/B2が、緻密質部において接触領域を形成する山部の幅A1と非接触領域を形成する溝部の幅B1の比A1/B1より大きく設定されている。ここで、領域面積とは、表面積ではなく、外形寸法のみで決定される面積をいう。例えば、図2においてクロスハッチングされた領域229Pの領域面積は、2×A2×Cで表され、領域229Pにおける拡散層212との接触面が平面であっても、凸凹形状を有していても同じ値となるものとする。   In this embodiment, the area area ratio of the contact region 229P in the porous portion 40 to the non-contact region (oxidation gas flow path formation portion 225P) is set to be the non-contact region (oxidation gas flow passage formation portion) of the contact region 229S in the dense portion. 225S) is set larger than the area ratio. Specifically, as shown in FIG. 5, the contact region and the non-contact region are formed by alternately arranging peaks and grooves in the cross-sectional view, but the contact region is formed in the porous portion 40. The ratio A2 / B2 between the width A2 of the peak portion and the width B2 of the groove portion forming the non-contact region is the ratio of the width A1 of the peak portion forming the contact region in the dense portion and the width B1 of the groove portion forming the non-contact region. It is set to be larger than A1 / B1. Here, the area of the area means not the surface area but the area determined only by the outer dimensions. For example, the area of the cross-hatched region 229P in FIG. 2 is represented by 2 × A2 × C, and the contact surface with the diffusion layer 212 in the region 229P may be a flat surface or have an uneven shape. It shall be the same value.

カソードセパレータ22の冷却流路面22bについて、図3を参照して説明する。カソードセパレータ22の冷却流路面22bには、緻密質部に冷却液流路形成部226、多孔質部40に冷却ガス流路形成部227が形成されている。冷却液流路形成部226および冷却ガス流路形成部227は、図5に示すように、カソードセパレータ22の冷却流路面22bと、同様の各流路形成部を有するアノードセパレータ23の冷却流路面23bとが組み合わされることにより、それぞれ冷却液流路50および冷却ガス流路55を形成する。   The cooling flow path surface 22b of the cathode separator 22 will be described with reference to FIG. On the cooling channel surface 22 b of the cathode separator 22, a cooling liquid channel forming part 226 is formed in the dense part, and a cooling gas channel forming part 227 is formed in the porous part 40. As shown in FIG. 5, the cooling liquid flow path forming unit 226 and the cooling gas flow path forming part 227 include a cooling flow path surface 22 b of the cathode separator 22 and a cooling flow path surface of the anode separator 23 having similar flow path forming portions. 23b is combined to form the coolant channel 50 and the coolant gas channel 55, respectively.

冷却液流路50は、冷却液供給部223aおよび冷却液排出部223bと連通されており、液冷によって燃料電池10を冷却する。冷却ガス流路55は、冷却ガス供給部224a、および冷却ガス排出部224bと連通されており、空冷によって燃料電池10を冷却する。冷却液は、例えば、氷点下環境でも凍結しない不凍液(エチレングリコール等)が用いられる。冷却ガスは、例えば、酸化ガスとしても利用可能な空気が用いられる。   The coolant channel 50 communicates with the coolant supply unit 223a and the coolant discharge unit 223b, and cools the fuel cell 10 by liquid cooling. The cooling gas channel 55 communicates with the cooling gas supply unit 224a and the cooling gas discharge unit 224b, and cools the fuel cell 10 by air cooling. As the cooling liquid, for example, an antifreeze liquid (ethylene glycol or the like) that does not freeze even in a sub-freezing environment is used. As the cooling gas, for example, air that can be used as an oxidizing gas is used.

冷却ガス流路55を通過する冷却ガスは、多孔質部40を通過する際に、上述した多孔質部40が拡散層212から吸収した生成水によって加湿される。言い換えれば、乾いた冷却ガスが、多孔質部40が含有している水分(生成水)を気化現象によって奪っていくことによって、多孔質部40に吸収された生成水は、多孔質部40から冷却ガス中に排出される。   The cooling gas passing through the cooling gas channel 55 is humidified by the generated water absorbed by the porous portion 40 from the diffusion layer 212 when passing through the porous portion 40. In other words, the dry cooling gas takes away the moisture (product water) contained in the porous part 40 by the vaporization phenomenon, so that the generated water absorbed in the porous part 40 is removed from the porous part 40. It is discharged into the cooling gas.

アノードセパレータ23は、カソードセパレータ22と同様にして、例えば、カーボン、金属、導電性樹脂といった導電性材料から形成されている。本実施例におけるアノードセパレータ23は、緻密質部のみで形成されている。アノードセパレータ23は、膜−電極アッセンブリ21との対向面(電極対向面)23aと、冷却流路が形成されている冷却流路面23bとを備えている。   The anode separator 23 is formed of a conductive material such as carbon, metal, or conductive resin, for example, in the same manner as the cathode separator 22. The anode separator 23 in the present embodiment is formed of only a dense part. The anode separator 23 includes a facing surface (electrode facing surface) 23a facing the membrane-electrode assembly 21 and a cooling flow path surface 23b in which a cooling flow path is formed.

アノードセパレータ23は、酸化ガス供給部231a、酸化ガス排出部231b、燃料ガス供給部232a、燃料ガス排出部232bを備えている。燃料ガス流路形成部235は、上流で燃料ガス供給部232aと、下流で燃料ガス排出部232bと連通している。燃料ガスは、燃料ガス供給部232aから燃料ガス流路形成部235と拡散層212との間に形成される燃料ガス流路に導入され、図4に示すように流動して、酸化ガス排出部232bから排出される。   The anode separator 23 includes an oxidizing gas supply unit 231a, an oxidizing gas discharge unit 231b, a fuel gas supply unit 232a, and a fuel gas discharge unit 232b. The fuel gas flow path forming part 235 communicates with the fuel gas supply part 232a upstream and the fuel gas discharge part 232b downstream. The fuel gas is introduced from the fuel gas supply unit 232a into the fuel gas channel formed between the fuel gas channel forming unit 235 and the diffusion layer 212, and flows as shown in FIG. It is discharged from 232b.

アノードセパレータ23は、カソードセパレータ22と同様に、冷却液供給部233a、冷却液排出部233b、冷却ガス供給部234a、冷却ガス排出部234bを備えている。冷却ガス排出部234bおよび酸化ガス供給部231aは同一の開口部によって実現されるのは、カソードセパレータ22と同様である。   As with the cathode separator 22, the anode separator 23 includes a cooling liquid supply unit 233a, a cooling liquid discharge unit 233b, a cooling gas supply unit 234a, and a cooling gas discharge unit 234b. The cooling gas discharge part 234b and the oxidizing gas supply part 231a are realized by the same opening as in the cathode separator 22.

アノードセパレータ23の電極対向面23aについて、図4を参照して説明する。アノードセパレータ23の電極対向面23aの略中央は、組み付け時に膜−電極アッセンブリ21のアノード電極側に配置された拡散層212と対向する領域DA(以下、拡散層対向領域DAという。)を形成する。拡散層対向領域DAは、組み付け時に拡散層212と接触する領域(接触領域)と、組み付け時に、拡散層212と接触しないで、拡散層212との間に燃料ガス流路を形成する領域(非接触領域)とを有する。図4において、接触領域は、ハッチングされている領域239であり、非接触領域は、燃料ガス流路形成部235が形成されている領域である。アノードセパレータ23は、接触領域239において、隣合う単セル20間を電気的に接続する機能を果たすと共に、非接触領域(燃料ガス流路形成部235)において、アノード電極に燃料ガス(本実施例では水素)を供給する機能を果たす。   The electrode facing surface 23a of the anode separator 23 will be described with reference to FIG. A substantially center of the electrode facing surface 23a of the anode separator 23 forms a region DA (hereinafter referred to as a diffusion layer facing region DA) facing the diffusion layer 212 disposed on the anode electrode side of the membrane-electrode assembly 21 when assembled. . The diffusion layer facing area DA is an area (contact area) that is in contact with the diffusion layer 212 during assembly, and an area that is not in contact with the diffusion layer 212 during assembly and forms a fuel gas flow path between the diffusion layer 212 (non-contact). Contact area). In FIG. 4, the contact region is a hatched region 239, and the non-contact region is a region where the fuel gas flow path forming part 235 is formed. The anode separator 23 functions to electrically connect the adjacent single cells 20 in the contact region 239, and in the non-contact region (fuel gas flow path forming portion 235), the anode separator 23 has fuel gas (this embodiment). In this case, it functions to supply hydrogen).

カソードセパレータ22およびアノードセパレータ23の外周縁部、各供給部および排出部の周囲には、各反応ガスおよび冷却媒体間の漏出、混合を防止するために、図2〜図4に示すようにシール部60(シール材)が配置されている。   The outer periphery of the cathode separator 22 and the anode separator 23, the periphery of each supply portion and the discharge portion are sealed as shown in FIGS. 2 to 4 in order to prevent leakage and mixing between each reaction gas and the cooling medium. The part 60 (sealing material) is arranged.

アノードセパレータ23の冷却流路面23bの構成は、多孔質部40を備えていない点を除いて、カソードセパレータ22の冷却流路面22bと同様であるから、その説明を省略する。   Since the configuration of the cooling flow path surface 23b of the anode separator 23 is the same as that of the cooling flow path surface 22b of the cathode separator 22 except that the porous portion 40 is not provided, the description thereof is omitted.

以上説明したように構成された第1の実施例に係る燃料電池10によれば、カソードセパレータ22のうち、生成水が滞留しやすい領域(拡散層対向領域DAの下部領域)に対応する部分を構成する多孔質部40において、接触領域229Pの非接触領域(酸化ガス流路形成部225P)に対する領域面積比を、緻密質部における接触領域229Sの非接触領域(酸化ガス流路形成部225S)に対する領域面積比より大きく設定しているので、効率良く生成水を拡散層212から除去することができる。すなわち、多孔質部40と拡散層212との接触面積を広くとることができるので、カソード電極において発生し、拡散層212内に凝縮した生成水を拡散層212から多孔質部40に効率良く吸収することができる。   According to the fuel cell 10 according to the first embodiment configured as described above, the portion of the cathode separator 22 corresponding to the region where the generated water tends to stay (the lower region of the diffusion layer facing region DA) In the porous part 40 to be configured, the area ratio of the contact area 229P to the non-contact area (oxidation gas flow path forming part 225P) is set to the non-contact area of the contact area 229S in the dense part (oxidation gas flow path forming part 225S). Therefore, the generated water can be efficiently removed from the diffusion layer 212. That is, since the contact area between the porous portion 40 and the diffusion layer 212 can be increased, the generated water generated at the cathode electrode and condensed in the diffusion layer 212 is efficiently absorbed from the diffusion layer 212 to the porous portion 40. can do.

さらに、多孔質部40部の冷却流路面22b側には冷却ガス流路55が形成され冷却ガスが流れているので、多孔質部40に吸収された生成水を、冷却ガス中へ排出することができる。これによって、拡散層212内に凝縮した生成水を継続的に多孔質部40に吸収することができる。   Further, since the cooling gas channel 55 is formed on the cooling channel surface 22b side of the porous part 40 and the cooling gas flows, the generated water absorbed in the porous part 40 is discharged into the cooling gas. Can do. Thereby, the generated water condensed in the diffusion layer 212 can be continuously absorbed by the porous portion 40.

また、冷却ガス排出部(224b、234b)と、酸化ガス供給部(221a、231a)が同一の開口部によって形成されているため、加湿された冷却ガスを酸化ガスとして利用することができる。この結果、酸化ガスを加湿するための加湿器が不要、若しくは加湿器を小型化することができる。   Moreover, since the cooling gas discharge parts (224b, 234b) and the oxidizing gas supply parts (221a, 231a) are formed by the same opening, the humidified cooling gas can be used as the oxidizing gas. As a result, a humidifier for humidifying the oxidizing gas is unnecessary, or the humidifier can be downsized.

・第2の実施例
図6および図7を参照して、本発明の第2の実施例に係る燃料電池について説明する。図6は、本実施例に係る燃料電池の一部を縦方向に切断した縦断面における多孔質部40近傍の概略構成を示す説明図である。図7は、本実施例に係る燃料電池に用いるカソードセパレータ22の多孔質部40の拡散層212との接触面の概略形状を示す説明図である。図7は、図2および図6中AAで示す部分に対応する接触領域229Pの一部を含む多孔質部40を示している。図7(a)は、電極対向面22a側からみた正面図であり、図7(b)、(c)は、図7(a)に対応する端面図(Y−Y端面およびX−X端面)である。
Second Embodiment With reference to FIGS. 6 and 7, a fuel cell according to a second embodiment of the present invention will be described. FIG. 6 is an explanatory diagram showing a schematic configuration in the vicinity of the porous portion 40 in a longitudinal section obtained by cutting a part of the fuel cell according to the present embodiment in the longitudinal direction. FIG. 7 is an explanatory view showing a schematic shape of a contact surface of the porous portion 40 of the cathode separator 22 used in the fuel cell according to this embodiment with the diffusion layer 212. FIG. 7 shows the porous portion 40 including a part of the contact region 229P corresponding to the portion indicated by AA in FIGS. Fig.7 (a) is a front view seen from the electrode opposing surface 22a side, FIG.7 (b), (c) is an end view (YY end surface and XX end surface) corresponding to Fig.7 (a). ).

第2の実施例に係る燃料電池の概略構成は、図1〜図4に示した第1の実施例に係る燃料電池10と同一であるため、概略構成の説明を省略し、以下の説明では、同一の符号を用いる。   Since the schematic configuration of the fuel cell according to the second embodiment is the same as that of the fuel cell 10 according to the first embodiment shown in FIGS. 1 to 4, the description of the schematic configuration is omitted, and in the following description , The same code is used.

第1の実施例に係る燃料電池と異なる点は、第2の実施例に係る燃料電池のカソードセパレータ22の多孔質部40には、図6に示すように、多孔質部40と拡散層212との接触領域229Pに、接触面積増大手段として、拡散層212との接触面積を増大させる形状(以下、接触面形状という。)71を有する点である。具体的には、図7に示すように、多孔質部40は、接触領域229Pおける拡散層212との接触面に、Y−Y端面が鋸刃形状となる略三角形の複数の溝状の形状71を有している。ここで、拡散層212との接触面積とは、組み付け時に拡散層212と実際に接触する表面積をいう。したがって、例えば、領域229Pにおける拡散層212との接触面が平面である場合と、凸凹形状を有する場合とでは、接触面積は異なる。   The difference from the fuel cell according to the first embodiment is that the porous portion 40 of the cathode separator 22 of the fuel cell according to the second embodiment has a porous portion 40 and a diffusion layer 212 as shown in FIG. The contact region 229P has a shape (hereinafter referred to as a contact surface shape) 71 that increases the contact area with the diffusion layer 212 as a contact area increasing means. Specifically, as shown in FIG. 7, the porous portion 40 has a plurality of substantially triangular groove-like shapes in which the YY end surface is a saw blade shape on the contact surface with the diffusion layer 212 in the contact region 229P. 71. Here, the contact area with the diffusion layer 212 refers to a surface area that actually contacts the diffusion layer 212 during assembly. Therefore, for example, the contact area differs between the case where the contact surface with the diffusion layer 212 in the region 229P is a flat surface and the case where the contact surface has an uneven shape.

接触面形状は、組み付け時に拡散層212に押しつけられたときに、拡散層212が接触面形状になつく、あるいは、接触面形状が拡散層212に食い込むこと等によって、拡散層212と多孔質部40との接触面積が、接触面が平面である場合と比較して、大きくなるように、深さ等の詳細寸法が決定される。拡散層212は、炭素繊維から成る糸で織成したカーボンクロスや、カーボンペーパー、あるいはカーボンフェルト等が用いられ得るが、これらには様々な種類があり、厚さ、硬さ(変形性)等も様々である。接触面形状は、燃料電池10に使用する拡散層212の性質等も考慮して、拡散層212と多孔質部40との接触面の面積がなるべく広くなるように決定される。以下に、接触面形状の他の態様をいくつか例示する。   The contact surface shape is such that when the diffusion layer 212 is pressed against the diffusion layer 212 during assembly, the diffusion layer 212 becomes a contact surface shape, or the contact surface shape bites into the diffusion layer 212. The detailed dimensions such as depth are determined so that the contact area with 40 is larger than that when the contact surface is a flat surface. The diffusion layer 212 may be made of carbon cloth, carbon paper, carbon felt or the like woven with carbon fiber yarns. There are various types, such as thickness and hardness (deformability). There are various. The contact surface shape is determined so that the area of the contact surface between the diffusion layer 212 and the porous portion 40 is as large as possible in consideration of the properties of the diffusion layer 212 used in the fuel cell 10 and the like. Below, some other aspects of contact surface shape are illustrated.

・接触面形状の他の態様:
図8〜図10を参照して接触面形状の他の態様について説明する。図8〜図10は、それぞれ他の態様に係るカソードセパレータ22の多孔質部40の接触面形状を示す説明図である。
Other aspects of contact surface shape:
Other aspects of the contact surface shape will be described with reference to FIGS. 8-10 is explanatory drawing which shows the contact surface shape of the porous part 40 of the cathode separator 22 which concerns on another aspect, respectively.

図8に示すように、多孔質部40は、拡散層212との接触面に、X−X端面が鋸刃形状となるように、略三角形の複数の溝状の形状72を有しても良い。また、図9に示すように、多孔質部40は、拡散層212との接触面に、Y−Y端面およびX−X端面の両方が、鋸刃形状となるように形状73を有しても良い。かかる場合は、多孔質部40は、拡散層212との接触面に、略四角錐形状有することになる。   As shown in FIG. 8, the porous portion 40 may have a plurality of substantially triangular groove-like shapes 72 on the contact surface with the diffusion layer 212 so that the end face of the XX is a saw blade shape. good. Further, as shown in FIG. 9, the porous portion 40 has a shape 73 on the contact surface with the diffusion layer 212 so that both the YY end surface and the XX end surface have a saw blade shape. Also good. In such a case, the porous portion 40 has a substantially quadrangular pyramid shape on the contact surface with the diffusion layer 212.

以下、図10を参照して、Y−Y端面の形状のみを例示するが、上述した鋸刃形状と同様に、X−X端面が例示形状となるようにしても良いし、Y−Y端面およびX−X端面の両方が例示形状となるように形状を施してもよい。図10(a)は、Y−Y端面をかまぼこ形状74とした例を示し、図10(b)は、図10(a)のかまぼこ形状を反転させた形状75とした例を示す。これらの形状は、鋸刃形状が組み合わせる拡散層の種類(例えば、硬いもの)によっては多孔質部40と拡散層212とが点接触になりやすいのに対して、比較的拡散層212がなつきやすい形状である。近似した形状として、図10(c)に示すような屋根型形状76がある。   Hereinafter, only the shape of the YY end face will be illustrated with reference to FIG. 10, but the XX end face may have the exemplified shape as in the saw blade shape described above, or the YY end face. Further, the shape may be applied so that both the end face and the XX end face have the illustrated shape. FIG. 10A shows an example in which the YY end face is shaped like a semi-cylindrical shape 74, and FIG. 10B shows an example where a shape 75 obtained by inverting the semi-cylindrical shape shown in FIG. In these shapes, the porous portion 40 and the diffusion layer 212 are likely to be in point contact depending on the type (for example, hard) of the diffusion layer combined with the saw blade shape, whereas the diffusion layer 212 is relatively easy to touch. Shape. As an approximate shape, there is a roof shape 76 as shown in FIG.

その他、拡散層212とのなつきやすさが、上述の鋸刃形状とかまぼこ型形状との中間程度である形状の例として、図10(d)に示すような波型形状77が考えられる。また、図10(e)に示すように、特定の形状を施さずに、拡散層212との接触面を表面粗さを粗くした高粗度面78として、接触面積の増加を図っても良い。   In addition, a corrugated shape 77 as shown in FIG. 10D is conceivable as an example of a shape in which the ease of attachment to the diffusion layer 212 is about the middle between the saw blade shape and the kamaboko shape. Further, as shown in FIG. 10E, the contact area may be increased by making the contact surface with the diffusion layer 212 a high roughness surface 78 having a rough surface roughness without giving a specific shape. .

以上説明したように構成された第2の実施例に係る燃料電池10によれば、第1の実施例に係る燃料電池10と同様の効果に加えて、以下の効果を有する。   The fuel cell 10 according to the second embodiment configured as described above has the following effects in addition to the same effects as those of the fuel cell 10 according to the first embodiment.

カソードセパレータ22の多孔質部40において、拡散層212と多孔質部40との接触面に、接触面積増大手段として鋸刃形状等の形状を施しているので、多孔質40と拡散層212とが接触する面積が増大する。その結果、拡散層212内に凝縮した生成水を拡散層212から多孔質部40へとより効率良く吸収し、冷却ガス中へ排出することができる。   In the porous portion 40 of the cathode separator 22, the contact surface between the diffusion layer 212 and the porous portion 40 has a shape such as a saw blade shape as a contact area increasing means. The contact area increases. As a result, the generated water condensed in the diffusion layer 212 can be more efficiently absorbed from the diffusion layer 212 into the porous portion 40 and discharged into the cooling gas.

・変形例
上記実施例において、図2を参照して説明した電極対向面22aの構成を持つカソードセパレータ22に代えて、図11に示すように構成された電極対向面を備えるカソードセパレータを用いても良い。図11は、第1の変形例に係る燃料電池のカソードセパレータの電極対向面の概略構成を示す説明図である。本変形例に用いられるカソードセパレータは、拡散層対向領域DAに、複数の突起を備え、複数の突起によって酸化ガス流路を区画している。すなわち、図11に示すように、非接触領域(酸化ガス流路形成部225S、225P)は網目状に形成され、接触領域229S、229P(複数の突起部)は略四角形に形成される。そして、多孔質部40における接触領域229Sを形成する略四角形の辺の長さA2、C2は、緻密質部における接触領域229Pを形成する略四角形の辺の長さA1、C1より大きく設定されている。複数の突起は、図11に示す例では略四角形であるが、これに限らず、他の形状であっても良い。
In the above embodiment, instead of the cathode separator 22 having the configuration of the electrode facing surface 22a described with reference to FIG. 2, a cathode separator having an electrode facing surface configured as shown in FIG. 11 is used. Also good. FIG. 11 is an explanatory diagram showing a schematic configuration of the electrode facing surface of the cathode separator of the fuel cell according to the first modification. The cathode separator used in this modification includes a plurality of protrusions in the diffusion layer facing area DA, and the oxidizing gas flow path is defined by the plurality of protrusions. That is, as shown in FIG. 11, the non-contact areas (oxidizing gas flow path forming portions 225S, 225P) are formed in a mesh shape, and the contact areas 229S, 229P (plural protrusions) are formed in a substantially square shape. The lengths A2 and C2 of the substantially square sides forming the contact region 229S in the porous portion 40 are set larger than the lengths A1 and C1 of the substantially square sides forming the contact region 229P in the dense portion. Yes. In the example shown in FIG. 11, the plurality of protrusions are substantially square, but are not limited to this, and may have other shapes.

また、図12に示すように構成された電極対向面を備えるカソードセパレータを用いても良い。図12は、第2の変形例に係る燃料電池のカソードセパレータの電極対向面の概略構成を示す説明図である。上記実施例においては、図2において説明したように、拡散層対向領域DAにおいて、図の左右方向に酸化ガス流路が形成されるように、酸化ガス流路形成部225が区画されているが、本変形例に用いるられるカソードセパレータ22は、拡散層対向領域DAにおいて、図の上下方向に酸化ガス流路が形成されるように、酸化ガス流路形成部225が区画されている。そして、形成された酸化ガス流路の下流側(多孔質部40に対応する部分)の流路幅B2は、上流側(緻密質部に対応する部分)の流路幅B1より狭く設定されている。この結果、各酸化ガス流路間にある接触領域(229Sおよび229P)の幅は、多孔質部40において、緻密部より広くなっている(A1<A2)。 変形例に係るカソードセパレータの冷却流路面およびアノードセパレータについては、カソードセパレータの電極対向面の構成に対応し、実施例に準じた構成を用いることができ、特徴的部分は無いので、その説明を省略する。   Moreover, you may use the cathode separator provided with the electrode opposing surface comprised as shown in FIG. FIG. 12 is an explanatory diagram showing a schematic configuration of the electrode facing surface of the cathode separator of the fuel cell according to the second modification. In the above embodiment, as described in FIG. 2, the oxidizing gas flow path forming portion 225 is partitioned so that the oxidizing gas flow path is formed in the left-right direction of the drawing in the diffusion layer facing area DA. In the cathode separator 22 used in this modification, the oxidizing gas flow path forming part 225 is partitioned so that the oxidizing gas flow path is formed in the vertical direction of the drawing in the diffusion layer facing area DA. The flow path width B2 on the downstream side (portion corresponding to the porous part 40) of the formed oxidizing gas flow path is set to be narrower than the flow path width B1 on the upstream side (part corresponding to the dense part). Yes. As a result, the width of the contact region (229S and 229P) between the oxidizing gas flow paths is wider in the porous portion 40 than in the dense portion (A1 <A2). The cooling separator cooling channel surface and anode separator according to the modification correspond to the configuration of the electrode facing surface of the cathode separator, and the configuration according to the embodiment can be used, and there is no characteristic part. Omitted.

以上説明したように構成された2種類のカソードセパレータは、上述した第1および第2の実施例に係る燃料電池10のカソードセパレータ22と同様に、多孔質部40における接触領域(229P)の非接触領域(酸化ガス流路形成部225P)に対する面積比が、緻密質部における接触領域(229S)の非接触領域(酸化ガス流路形成部225S)に対する面積比より大きくなる。したがって、これらの変形例に係る燃料電池10においても、実施例と同様に拡散層212内に凝縮した生成水を拡散層212から多孔質部40へと効率良く吸収し、冷却ガス中へ排出することができる。   The two types of cathode separators configured as described above are similar to the cathode separator 22 of the fuel cell 10 according to the first and second embodiments described above, and the contact region (229P) in the porous portion 40 is not covered. The area ratio with respect to the contact area (oxidizing gas flow path forming part 225P) is larger than the area ratio of the contact area (229S) in the dense part with respect to the non-contact area (oxidizing gas flow path forming part 225S). Therefore, also in the fuel cell 10 according to these modified examples, the generated water condensed in the diffusion layer 212 is efficiently absorbed from the diffusion layer 212 into the porous portion 40 and discharged into the cooling gas, similarly to the embodiment. be able to.

上記実施例では、カソードセパレータ22に、多孔質部40を備えているが、アノードセパレータ23に多孔質部40を備えても良い。かかる場合には、アノードセパレータ23の電極対向面側に、実施例においてカソードセパレータ22について説明した拡散層212と多孔質部40との接触面積を増大する各種手段を設定する。アノード側においても逆浸透等により水分が出現することがあるため、かかる場合には、出現した水分を効率良く、多孔質部40に吸収し、除去することができる。   In the above embodiment, the cathode separator 22 includes the porous portion 40, but the anode separator 23 may include the porous portion 40. In such a case, various means for increasing the contact area between the diffusion layer 212 and the porous portion 40 described for the cathode separator 22 in the embodiment are set on the electrode facing surface side of the anode separator 23. Since moisture may appear on the anode side due to reverse osmosis or the like, in such a case, the appeared moisture can be efficiently absorbed into the porous portion 40 and removed.

上記実施例では、酸化ガス、燃料ガス、冷却液、冷却ガスの供給態様について詳細に説明されていないが、気体であれば外部の気体ポンプ、液体であれば外部の液体ポンプによってそれぞれ供給され得る。燃料ガスについては、高圧燃料ガスが用いられる場合、ポンプを用いることなく圧力制御によって供給量が調整されても良い。   In the above embodiment, the supply mode of the oxidizing gas, the fuel gas, the cooling liquid, and the cooling gas is not described in detail. However, the gas can be supplied by an external gas pump if it is a gas, and can be supplied by an external liquid pump if it is a liquid. . As for the fuel gas, when high-pressure fuel gas is used, the supply amount may be adjusted by pressure control without using a pump.

以上、本発明の実施例および変形例について説明したが、本発明はこれらの実施例および変形例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の態様での実施が可能である。
本発明の他の態様1は、燃料電池を提供する。本発明の他の態様1に係る燃料電池は、両面に触媒層が配置されている電解質膜と、前記電解質膜の両面に前記触媒層を挟んで配置される拡散層と、前記電解質膜および前記拡散層と組み付けられた際に、前記拡散層と接触する接触領域の少なくとも一部が、液体の透過を許容する多孔質体からなると共に、前記拡散層との接触面積を増大させる接触面積増大部を有するセパレータとを備えることを特徴とする。
本発明の他の態様1に係る燃料電池によれば、セパレータの多孔質部における拡散層との接触領域に、拡散層との接触面積を増大させる接触面積増大部を有するので、拡散層中に凝縮している生成水を効率良くセパレータの多孔質部に吸収させることができる。
上記燃料電池において、前記接触面積増大部は、前記多孔質部と前記拡散層との接触面に凹凸形状を有する凹凸形状部であっても良い。また、前記多孔質部と前記拡散層との接触面に曲面形状を有する曲面形状部であっても良い。かかる場合には、多孔質部の拡散層との接触面が、凹凸形状または曲面を有するので、拡散層との接触面積が増大し、拡散層中に凝縮している生成水を効率良くセパレータの多孔質部に吸収させることができる。
上記燃料電池において、前記接触面積増大部は、前記多孔質部と前記拡散層との接触面に粗度が高い表面を有する高粗度表面部であっても良い。かかる場合には、かかる場合には、多孔質部の拡散層との接触面の表面粗さが粗いので、拡散層との接触面積が増大し、拡散層中に凝縮している生成水を効率良くセパレータの多孔質部に吸収させることができる。
本発明の他の態様2は、両面に触媒層が配置されている電解質膜と、該電解質膜の両面に前記触媒層を挟んで配置される拡散層とを挟持して燃料電池を構成するセパレータを提供する。本発明の他の態様2に係るセパレータは、前記電解質膜および前記拡散層と組み付けられた際に、前記拡散層と接触する接触領域の少なくとも一部を構成し、液体の透過を許容する多孔質部と、前記多孔質部で構成された前記接触領域に設けられ、前記多孔質部と前記拡散層との接触面積を増大させる接触面積増大部とを備えることを特徴とする。
本発明の他の態様2に係るセパレータを用いて燃料電池を構成すれば、本発明の他の態様1に係る燃料電池と同様の作用効果を得ることができる。また、本発明の他の態様2に係るセパレータは、本発明の他の態様1に係る燃料電池と同様にして種々の態様にて実現される。
As mentioned above, although the Example and modification of this invention were demonstrated, this invention is not limited to these Example and modification at all, and implementation in a various aspect is possible within the range which does not deviate from the summary. It is.
Another aspect 1 of the present invention provides a fuel cell. A fuel cell according to another aspect of the present invention includes an electrolyte membrane in which catalyst layers are disposed on both surfaces, a diffusion layer disposed on both surfaces of the electrolyte membrane with the catalyst layers interposed therebetween, the electrolyte membrane, and the electrolyte membrane When assembled with the diffusion layer, at least a part of the contact region that comes into contact with the diffusion layer is made of a porous material that allows permeation of liquid, and the contact area increasing portion that increases the contact area with the diffusion layer It is characterized by providing with the separator which has.
According to the fuel cell of another aspect 1 of the present invention, the contact area with the diffusion layer in the porous portion of the separator has the contact area increasing portion that increases the contact area with the diffusion layer. The condensed product water can be efficiently absorbed by the porous portion of the separator.
In the fuel cell, the contact area increasing portion may be an uneven shape portion having an uneven shape on a contact surface between the porous portion and the diffusion layer. Moreover, the curved surface part which has a curved surface shape in the contact surface of the said porous part and the said diffusion layer may be sufficient. In such a case, since the contact surface of the porous portion with the diffusion layer has an uneven shape or a curved surface, the contact area with the diffusion layer increases, and the water condensed in the diffusion layer is efficiently removed from the separator. It can be absorbed in the porous part.
In the fuel cell, the contact area increasing portion may be a high roughness surface portion having a high roughness surface on a contact surface between the porous portion and the diffusion layer. In such a case, since the surface roughness of the contact surface of the porous part with the diffusion layer is rough, the contact area with the diffusion layer is increased, and the generated water condensed in the diffusion layer is efficiently used. It can be well absorbed by the porous portion of the separator.
Another aspect 2 of the present invention is a separator that constitutes a fuel cell by sandwiching an electrolyte membrane having catalyst layers disposed on both sides and a diffusion layer disposed on both sides of the electrolyte membrane with the catalyst layer sandwiched therebetween. I will provide a. The separator according to another aspect 2 of the present invention is a porous member that constitutes at least a part of a contact region that comes into contact with the diffusion layer when assembled with the electrolyte membrane and the diffusion layer, and allows liquid to pass therethrough. And a contact area increasing portion that is provided in the contact region composed of the porous portion and increases the contact area between the porous portion and the diffusion layer.
If a fuel cell is comprised using the separator which concerns on the other aspect 2 of this invention, the effect similar to the fuel cell which concerns on the other aspect 1 of this invention can be acquired. Further, the separator according to the other aspect 2 of the present invention is realized in various aspects in the same manner as the fuel cell according to the other aspect 1 of the present invention.

第1の実施例に係る燃料電池10の外観の概略構成を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows schematic structure of the external appearance of the fuel cell 10 which concerns on a 1st Example. 第1の実施例に係る燃料電池10を構成するカソードセパレータ22の膜−電極アッセンブリ21との対向面(電極対向面)22aの概略構成を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows schematic structure of the opposing surface (electrode opposing surface) 22a with the membrane-electrode assembly 21 of the cathode separator 22 which comprises the fuel cell 10 which concerns on a 1st Example. 第1の実施例に係る燃料電池10を構成するカソードセパレータ22の冷却流路が形成されている面(冷却流路面)22bの概略構成を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows schematic structure of the surface (cooling flow path surface) 22b in which the cooling flow path of the cathode separator 22 which comprises the fuel cell 10 which concerns on a 1st Example is formed. 第1の実施例の燃料電池10を構成するアノードセパレータ23の電極対向面の概略構成を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows schematic structure of the electrode opposing surface of the anode separator 23 which comprises the fuel cell 10 of a 1st Example. 第1の実施例に係る燃料電池10の一部を縦方向に(例えば、図2の5−5線にて)切断した縦断面の概略構成を示す説明図である。FIG. 5 is an explanatory diagram showing a schematic configuration of a longitudinal section obtained by cutting a part of the fuel cell 10 according to the first embodiment in the longitudinal direction (for example, along line 5-5 in FIG. 2). 第2の実施例に係る燃料電池の一部を縦方向に切断した縦断面における多孔質部40近傍の概略構成を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows schematic structure of the porous part 40 vicinity in the longitudinal cross-section which cut | disconnected a part of fuel cell which concerns on a 2nd Example in the vertical direction. 第2の実施例に係る燃料電池10に用いるカソードセパレータ22の多孔質部40の拡散層212との接触面の形状(接触面形状)を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the shape (contact surface shape) of the contact surface with the diffused layer 212 of the porous part 40 of the cathode separator 22 used for the fuel cell 10 which concerns on a 2nd Example. 他の態様に係るカソードセパレータ22の多孔質部40の接触面形状を示す第1の説明図である。It is the 1st explanatory view showing the contact surface shape of porous part 40 of cathode separator 22 concerning other modes. 他の態様に係るカソードセパレータ22の多孔質部40の接触面形状を示す第2の説明図である。It is the 2nd explanatory view showing the contact face shape of porous part 40 of cathode separator 22 concerning other modes. 他の態様に係るカソードセパレータ22の多孔質部40の接触面形状を示す第3の説明図である。It is a 3rd explanatory view which shows the contact surface shape of the porous part 40 of the cathode separator 22 which concerns on another aspect. 第1の変形例に係る燃料電池のカソードセパレータの電極対向面の概略構成を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows schematic structure of the electrode opposing surface of the cathode separator of the fuel cell which concerns on a 1st modification. 第2の変形例に係る燃料電池のカソードセパレータの電極対向面の概略構成を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows schematic structure of the electrode opposing surface of the cathode separator of the fuel cell which concerns on a 2nd modification.

符号の説明Explanation of symbols

10…燃料電池
20…単セル
21…膜−電極アッセンブリ
211…電解質膜
212…拡散層
22…カソードセパレータ
22a…電極対向面
22b…冷却流路面
221a…酸化ガス供給部
221b…酸化ガス排出部
222a…燃料ガス供給部
222b…燃料ガス排出部
223a…冷却液供給部
223b…冷却液排出部
224a…冷却ガス供給部
224b…冷却ガス排出部
225S…緻密質部における酸化ガス流路形成部(非接触領域)
225P…多孔質部における酸化ガス流路形成部(非接触領域)
226…冷却液流路形成部
227…冷却ガス流路形成部
229S…緻密質部における接触領域
229P…多孔質部における接触領域
23…アノードセパレータ
23a…電極対向面
23b…冷却流路面
231a…酸化ガス供給部
231b…酸化ガス排出部
232a…燃料ガス供給部
232b…燃料ガス排出部
233a…冷却液供給部
233b…冷却液排出部
234a…冷却ガス供給部
234b…冷却ガス排出部
235…燃料ガス流路形成部(非接触領域)
239…接触領域
30…エンドプレート
31…テンションプレート
40…多孔質部
50…冷却液流路
55…冷却ガス流路
60…シール部(シール材)
71〜78…接触面形状
DA…拡散層対向領域
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Fuel cell 20 ... Single cell 21 ... Membrane-electrode assembly 211 ... Electrolyte membrane 212 ... Diffusion layer 22 ... Cathode separator 22a ... Electrode facing surface 22b ... Cooling flow path surface 221a ... Oxidizing gas supply part 221b ... Oxidizing gas discharge part 222a ... Fuel gas supply part 222b ... Fuel gas discharge part 223a ... Coolant supply part 223b ... Coolant discharge part 224a ... Coolant gas supply part 224b ... Coolant gas discharge part 225S ... Oxidized gas flow path forming part (non-contact region) in the dense part )
225P: Oxidizing gas flow path forming portion in the porous portion (non-contact region)
226 ... Cooling liquid flow path forming part 227 ... Cooling gas flow path forming part 229S ... Contact area in dense part 229P ... Contact area in porous part 23 ... Anode separator 23a ... Electrode facing surface 23b ... Cooling flow path surface 231a ... Oxidizing gas Supply portion 231b ... Oxidizing gas discharge portion 232a ... Fuel gas supply portion 232b ... Fuel gas discharge portion 233a ... Coolant supply portion 233b ... Coolant discharge portion 234a ... Cooling gas supply portion 234b ... Cooling gas discharge portion 235 ... Fuel gas flow path Forming part (non-contact area)
239 ... Contact area 30 ... End plate 31 ... Tension plate 40 ... Porous part 50 ... Coolant flow channel 55 ... Cooling gas channel 60 ... Seal part (seal material)
71-78 ... contact surface shape DA ... diffusion layer facing region

Claims (6)

燃料電池であって、
両面に触媒層が配置されている電解質膜と、
前記電解質膜の両面に前記触媒層を挟んで配置される拡散層と、
液体の透過を許容しない緻密部と液体の透過を許容する多孔質部とを有し、前記電解質膜および前記拡散層と組み付けられた際に、前記拡散層と接触する接触領域と、前記拡散層と接触せず前記拡散層との間に反応ガス流路を形成する非接触領域とを、前記多孔質部および前記緻密部にそれぞれ有するセパレータであって、前記多孔質部における前記非接触領域に対する前記接触領域の領域面積比が、前記緻密部における前記非接触領域に対する前記接触領域の領域面積比より大きいセパレータとを備える燃料電池。
A fuel cell,
An electrolyte membrane having catalyst layers on both sides;
A diffusion layer disposed on both sides of the electrolyte membrane with the catalyst layer interposed therebetween;
A contact region that has a dense part that does not allow liquid permeation and a porous part that allows liquid permeation, and is in contact with the diffusion layer when assembled with the electrolyte membrane and the diffusion layer; and the diffusion layer Non-contact regions that do not contact with the diffusion layer and that form a reaction gas flow path between the porous portion and the dense portion, respectively, with respect to the non-contact region in the porous portion A fuel cell comprising: a separator having a region area ratio of the contact region larger than a region area ratio of the contact region with respect to the non-contact region in the dense portion.
請求項に記載の燃料電池において、
前記セパレータは、
前記多孔質部における前記接触領域に、前記多孔質部と前記拡散層との接触面積を増大させる接触面積増大部を有する燃料電池。
The fuel cell according to claim 1 , wherein
The separator is
The fuel cell which has the contact area increase part which increases the contact area of the said porous part and the said diffusion layer in the said contact area in the said porous part.
請求項に記載の燃料電池であって、
前記接触面積増大部は、前記多孔質部と前記拡散層との接触面に凹凸形状を有する凹凸形状部である燃料電池。
The fuel cell according to claim 2 , wherein
The contact area increasing portion is a fuel cell having a concavo-convex shape having a concavo-convex shape on a contact surface between the porous portion and the diffusion layer.
請求項に記載の燃料電池であって、
前記接触面積増大部は、前記多孔質部と前記拡散層との接触面に曲面形状を有する曲面形状部である燃料電池。
The fuel cell according to claim 2 , wherein
The contact area increasing portion is a fuel cell having a curved shape having a curved shape on a contact surface between the porous portion and the diffusion layer.
請求項に記載の燃料電池であって、
前記接触面積増大部は、前記多孔質部と前記拡散層との接触面に粗度が高い表面を有する高粗度表面部である燃料電池。
The fuel cell according to claim 2 , wherein
The contact area increasing portion is a fuel cell that is a high roughness surface portion having a surface having a high roughness on a contact surface between the porous portion and the diffusion layer.
両面に触媒層が配置されている電解質膜と、該電解質膜の両面に前記触媒層を挟んで配置される拡散層とを挟持して燃料電池を構成するセパレータであって、
前記電解質膜および前記拡散層と組み付けられた際に、前記拡散層と接触する接触領域と、前記拡散層と接触せず前記拡散層との間に反応ガス流路を形成する非接触領域とを有し、液体の透過を許容しない緻密部と、
前記接触領域と前記非接触領域とを有し、液体の透過を許容する多孔質部であって、前記非接触領域に対する前記接触領域の領域面積比が、前記緻密部における前記非接触領域に対する前記接触領域の領域面積比より大きい多孔質部とを備えるセパレータ。
A separator that constitutes a fuel cell by sandwiching an electrolyte membrane in which a catalyst layer is disposed on both sides and a diffusion layer that is disposed on both sides of the electrolyte membrane with the catalyst layer interposed therebetween,
A contact region that contacts the diffusion layer when assembled with the electrolyte membrane and the diffusion layer, and a non-contact region that does not contact the diffusion layer and forms a reaction gas channel between the diffusion layer and the contact region. A dense portion that does not allow liquid to pass through;
A porous portion having the contact region and the non-contact region and allowing permeation of liquid, wherein the area area ratio of the contact region to the non-contact region is the non-contact region in the dense portion A separator provided with a porous part larger than the area ratio of the contact area.
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