CN102341945A - 燃料电池用隔板以及具备其的燃料电池 - Google Patents
燃料电池用隔板以及具备其的燃料电池 Download PDFInfo
- Publication number
- CN102341945A CN102341945A CN2010800104439A CN201080010443A CN102341945A CN 102341945 A CN102341945 A CN 102341945A CN 2010800104439 A CN2010800104439 A CN 2010800104439A CN 201080010443 A CN201080010443 A CN 201080010443A CN 102341945 A CN102341945 A CN 102341945A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- gas
- separator
- flow path
- gas stream
- manifold hole
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/02—Details
- H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
- H01M8/0247—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the form
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/02—Details
- H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
- H01M8/0258—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the configuration of channels, e.g. by the flow field of the reactant or coolant
- H01M8/0263—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the configuration of channels, e.g. by the flow field of the reactant or coolant having meandering or serpentine paths
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/02—Details
- H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
- H01M8/0258—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the configuration of channels, e.g. by the flow field of the reactant or coolant
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/02—Details
- H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
- H01M8/0258—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the configuration of channels, e.g. by the flow field of the reactant or coolant
- H01M8/026—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the configuration of channels, e.g. by the flow field of the reactant or coolant characterised by grooves, e.g. their pitch or depth
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/02—Details
- H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
- H01M8/0267—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors having heating or cooling means, e.g. heaters or coolant flow channels
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
- H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
- H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
- H01M8/04119—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
- H01M8/2465—Details of groupings of fuel cells
- H01M8/2483—Details of groupings of fuel cells characterised by internal manifolds
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
- H01M2008/1095—Fuel cells with polymeric electrolytes
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Landscapes
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Sustainable Development (AREA)
- Sustainable Energy (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Fuel Cell (AREA)
Abstract
本发明的燃料电池用隔板为板状,且具备在厚度方向上贯通并提供反应气体的第1气体歧管孔(51)、在厚度方向上贯通并排出反应气体的第2气体歧管孔(52)、形成于一个主面且一端被连接于第1气体歧管孔(51)、另一端被连接于第2气体歧管孔(52)的1个以上的沟槽状的第1主气体流路(18)、形成于一个主面且其一端被连接于第1气体歧管孔(51)以及第2气体歧管孔(52)中的至少一者的沟槽状的第1辅助气体流路(28)、形成于一个主面且一端从第1辅助气体流路(28)进行分支、另一端被封闭的沟槽状的第2辅助气体流路(38)。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池用隔板以及具备其的燃料电池,特别涉及燃料电池用隔板的构造。
背景技术
高分子电解质型燃料电池(以下称之为PEFC)是通过使含有氢的燃料气体和空气等的含有氧的氧化剂气体发生电化学反应从而同时产生电力和热能的装置。PEFC的单电池(cell)具有由高分子电解质膜以及一对气体扩散电极(阳极以及阴极)构成的MEA(Membrance-Electrode-Assembly:膜-电极组件体)、垫圈以及导电性的板状的隔板。而且,PEFC一般是层叠多个该单电池,以端板夹持层叠的单电池的两端,并由缔结具缔结该端板和单电池,从而形成的。
但是,高分子电解质膜通过以饱和状态包含水分,从而膜的比电阻变小,作为具有氢离子传导性的电解质而发挥功能。因此,在发电运转时,反应气体(燃料气体和氧化剂气体)被加湿而被提供给PEFC。另外,在PEFC的发电运转时,由氢的氧化而在阴极生成作为反应生成物的水。被加湿的反应气体中的水以及反应生成水有助于使高分子电解质膜的含水量为饱和状态,剩余的水与剩余的阳极气体以及阴极气体一起被排出至PEFC的外部。
恰当地实行加湿该反应气体的水蒸汽和生成水的管理会在较大程度上左右PEFC的性能。如果生成水或者冷凝水滞留于特定的场所,那么对于该区域的电极会无法提供反应气体,从而会有引起电池性能的降低(即,液泛(flooding))的问题。另外,在提供给PEFC的反应气体的加湿量(水蒸汽量)少的情况(即,在以低加湿条件进行运转的情况)下,会有气体扩散电极的最初提供有反应气体的部分附近由于高分子电解质膜的含水量发生降低而引起电池性能的下降(称之为发干(dry up))的问题。
对于这样的问题,在气体流路的形状上下功夫,从而使单电池内的剩余的水分向外部排出。或者,在同样的单电池内使水向不足的部位移动,进行解决液泛和发干的问题的配合(例如参照专利文献1以及专利文献2)。
在专利文献1所公开的燃料电池中,将从反应气体流路的上游侧沿着下游侧的细沟槽设置于隔板的与MEA相接触的肋部。由此,谋求将生成水和冷凝水除去至细沟槽内而使容易变得水过剩的下游侧的水向容易变得水不足的上游侧移动。
另外,在专利文献2所公开的燃料电池用隔板中,设置有平行于气体流路的蓄水(reservoir)沟槽。由此,谋求使下游侧的水向上游侧的局部干燥的区域移动。
专利文献1:日本专利申请公开2005-158513号公报
专利文献2:日本专利申请公开2006-236750号公报
发明内容
发明所要解决的课题
然而,本发明人等发现了即使专利文献1所公开的燃料电池以及专利文献2所公开的燃料电池用隔板中,从改善由在低加湿条件下提供的反应气体进行发电的时候的电池性能的观点出发,仍然还有改善的余地。即,在专利文献1所公开的燃料电池和专利文献2所公开的燃料电池用隔板中,在下游区域可靠地成为饱和状态的运转条件下使燃料电池进行发电的情况下,会有经由细沟槽或者蓄水沟槽而能够使作为水存在的剩余水向上游侧移动的情况。然而,如果即使考虑了生成水和气体消耗,下游区域仍为未饱和状态,那么不会实行由这些沟槽所进行的向上游的水分移动,从而有不能够充分地提高电池性能的问题。
另外,如专利文献1所公开的燃料电池那样在1个细沟槽中,由于生成水储存而堵塞了细沟槽的情况下,因为没有使该生成水退避的地方,所以反应气体无法从细沟槽的堵塞了的部分流通至下游侧。因此,在专利文献1所公开的燃料电池中,不能够充分地将反应气体提供给与这些部分相面对的气体扩散电极,从而会有不能够充分地提高电池性能的问题。
另外,在专利文献2所公开的燃料电池用隔板中,因为蓄水沟槽未与反应气体供给歧管孔以及反应气体排出歧管孔连通,所以不能够直接将反应气体提供给蓄水沟槽。因此,不能够充分地将反应气体提供给与蓄水沟槽相面对的气体扩散电极,从而会有不能够充分地提高电池性能的问题。
本发明是有鉴于这样的问题而悉心研究的结果,以提供一种在以特别低加湿条件运转PEFC那样的情况下,能够制作出高湿度而且高气体浓度的电极区域,并能够充分地提高电池性能的燃料电池用隔板以及具备其的燃料电池为目的。
解决课题的技术手段
本发明人等为了解决上述以往技术的课题而经过反复悉心研讨,其结果,发现了以下的点。
在专利文献1所公开的燃料电池的隔板中,由提供给细沟槽的极其稀少的反应气体而引起发电反应,并产生生成水。而且,发现了因为流通于细沟槽的反应气体的量少,所以生成水的排出性变差,相对于反应气体流路反应气体的相对湿度变高。即,可知通过相对于反应气体流路将供给量少的辅助气体流路作为反应气体流路的一部分形成,从而能够在单电池面内确保相对湿度高的气体流路。可知在所提供的反应气体为低加湿条件下这对电池性能更为有效。
于是,本发明人等采用了以下所记载的结构,在达到了上述本发明的目的之后发现极为有效,从而想到了本发明。
即,本发明所涉及的燃料电池用隔板是一种板状的燃料电池用隔板,具备在厚度方向上贯通并提供反应气体的第1气体歧管(manifold)孔、在厚度方向上贯通并排出反应气体的第2气体歧管孔、形成于一个主面且一端被连接于所述第1气体歧管孔、另一端被连接于所述第2气体歧管孔的1个以上的沟槽状的第1主气体流路、形成于所述一个主面且其一端被连接于所述第1气体歧管孔以及所述第2气体歧管孔中的至少一者的沟槽状的第1辅助气体流路、形成于所述一个主面且一端从所述第1辅助气体流路进行分支并且另一端被封闭的沟槽状的第2辅助气体流路。
在本发明所涉及的燃料电池用隔板的第1辅助气体流路的两端分别被连接于第1气体歧管孔以及第2气体歧管孔的情况下,从第1气体歧管孔提供的反应气体流通于第1主气体流路以及第1辅助气体流路,并被排出至第2气体歧管孔。因此,在第1主气体流路以及第1辅助气体流路内,由反应气体的电化学反应而生成的水从第2气体歧管孔排出。
另外,由从第1辅助气体流路或者从第1主气体流路经由气体扩散层的伏流而将反应气体提供给第2辅助气体流路。其结果,即使在气体扩散电极(以下单单称之为电极)上的与第2辅助气体流路相面对的部分以及其附近,也实行发电反应,并生成水。
可是,因为第2辅助气体流路从第1辅助气体流路进行分支,其端部(下游端)被封闭,所以没有成为强制性地使反应气体流通(排出)的结构。因此,在第2辅助气体流路中生成的水可以滞留于第2辅助气体流路内,第2辅助气体流路内的相对湿度上升。另外,因为第2辅助气体流路内的相对湿度上升,所以即使在电极的面对于第2辅助气体流路的部分以及其附近,也能够调整成相对湿度高的气氛。因此,在反应气体为低加湿的情况下,不仅在电极的面对于第1主气体流路以及第1辅助气体流路的部分以及其附近,而且在电极的面对于第2辅助气体流路的部分以及其附近,均能够确保对电池性能有较大影响的湿度和气体供给。因此,如果将本发明所涉及的燃料电池用隔板用于燃料电池,那么能够提高电池性能。
另一方面,即使在第1辅助气体流路的一端被连接于第1气体歧管孔或者第2气体歧管孔,另一端被封闭的情况下,也能够从第1辅助气体流路将反应气体直接提供给第2辅助气体流路。另外,即使生成水储存于第1辅助气体流路的途中,该生成水也能够由反应气体而被退避至分支了的第2辅助气体流路。因此,能够抑制由于第1辅助气体流路的生成水而引起的堵塞。因此,在反应气体为低加湿的情况下,不仅在电极的面对于第1主气体流路以及第1辅助气体流路的部分以及其附近,而且在电极的面对于第2辅助气体流路的部分以及其附近,均能够确保对电池性能有较大影响的湿度和气体供给。因此,如果将本发明所涉及的燃料电池用隔板用于燃料电池,那么能够提高电池性能。
在此,所谓第2辅助气体流路的另一端被封闭的结构,是指第2辅助气体流路的另一端未与其它的流路相连通的结构。例如,是指在第2辅助气体流路的另一端与第1主气体流路的流路之间具有肋部的结构。
另外,在本发明所涉及的燃料电池用隔板中,所述第1主气体流路可以以弯曲的方式形成。
另外,在本发明所涉及的燃料电池用隔板中,所述第1主气体流路可以被形成为蜿蜒(serpentine)状。
另外,在本发明所涉及的燃料电池用隔板中,所述第2辅助气体流路可以被设置于以由所述第1主气体流路夹持的方式形成的第1肋部。
由此,第2辅助气体流路成为邻接于第1主气体流路的结构,由从第1辅助气体流路或者从配置于第2辅助气体流路的旁边的主气体流路经由气体扩散层的伏流而将反应气体提供给第2辅助气体流路。其结果,充分的反应气体被提供给第2辅助气体流路,在反应气体为低加湿的情况下,因为在电极的面对于第2辅助气体流路的部分以及其附近能够更加充分地确保对电池性能有较大影响的湿度和气体供给,所以能够进一步提高电池性能。
另外,在本发明所涉及的燃料电池用隔板中,所述第1辅助气体流路的截面积可以比所述第1主气体流路的截面积小。
由此,因为相对于第1主气体流路能够减小提供给第1辅助气体流路的反应气体的流量,所以能够使在第2辅助气体流路滞留的水分难以排出至单电池外,从而能够进一步提高第2辅助气体流路内的相对湿度。另外,因为提供给第1主气体流路的反应气体比提供给第1辅助气体流路的反应气体更有助于发电反应,所以通过增加向第1主气体流路的气体供给量,从而能够有效地将提供给燃料电池的反应气体利用于发电反应。
另外,在本发明所涉及的燃料电池用隔板中,所述第1辅助气体流路,一端可以被连接于所述第1气体歧管孔,另一端可以被连接于所述第2气体歧管孔。
另外,在本发明所涉及的燃料电池用隔板中,所述第1辅助气体流路,一端可以被连接于所述第1气体歧管孔,另一端可以被封闭。
另外,在本发明所涉及的燃料电池用隔板中,所述第1辅助气体流路,一端可以被封闭,另一端可以被连接于所述第2气体歧管孔。
另外,在本发明所涉及的燃料电池用隔板中,多个所述第1主气体流路以并行的方式设置,在形成于该多个第1主气体流路之间的第2肋部,可以设置有沟槽状的第3辅助气体流路。
另外,在本发明所涉及的燃料电池用隔板中,所述第3辅助气体流路,一端可以被连接于所述第1气体歧管孔或者所述第2气体歧管孔,另一端可以被封闭。
再有,在本发明所涉及的燃料电池用隔板中,所述第2辅助气体流路可以设置1个以上。
另外,本发明所涉及的燃料电池具备板状的第1隔板、板状的第2隔板和配置于所述第1隔板以及所述第2隔板之间的膜-电极组件体,该第1隔板具备在厚度方向上贯通并提供反应气体的第1气体歧管孔、在厚度方向上贯通并排出反应气体的第2气体歧管孔、形成于一个主面且一端被连接于所述第1气体歧管孔、另一端被连接于所述第2气体歧管孔的1个以上的沟槽状的第1主气体流路、形成于所述一个主面且其一端被连接于所述第1气体歧管孔以及所述第2气体歧管孔中的至少一者的沟槽状的第1辅助气体流路、形成于所述一个主面且一端从所述第1辅助气体流路进行分支、另一端被封闭的沟槽状的第2辅助气体流路。
在第1隔板的第1辅助气体流路的两端分别被连接于第1气体歧管孔以及第2气体歧管孔的情况下,从第1气体歧管孔提供的反应气体流通于第1主气体流路以及第1辅助气体流路,并被排出至第2气体歧管孔。因此,在第1主气体流路以及第1辅助气体流路内,由反应气体的电化学反应而生成的水从第2气体歧管孔排出。
另外,由从第1辅助气体流路或者从第1主气体流路经由气体扩散层的伏流而将反应气体提供给第2辅助气体流路。其结果,即使在气体扩散电极(以下单单称之为电极)上的与第2辅助气体流路相面对的部分以及其附近,也实行发电反应,并生成水。
可是,因为第2辅助气体流路从第1辅助气体流路进行分支,其端部(下游端)被封闭,所以没有成为强制性地使反应气体流通(排出)的结构。因此,在第2辅助气体流路中生成的水可以滞留于第2辅助气体流路内,第2辅助气体流路内的相对湿度上升。另外,因为第2辅助气体流路内的相对湿度上升,所以即使在电极的面对于第2辅助气体流路的部分以及其附近,也能够调整成相对湿度高的气氛。因此,本发明所涉及的燃料电池在反应气体为低加湿的情况下,不仅在电极的面对于第1主气体流路以及第1辅助气体流路的部分以及其附近,而且在电极的面对于第2辅助气体流路的部分以及其附近,均能够确保对电池性能有较大影响的湿度和气体供给。因此,如果使用本发明所涉及的燃料电池,那么能够提高电池性能。
另一方面,即使在第1辅助气体流路的一端被连接于第1气体歧管孔或者第2气体歧管孔,另一端被封闭的情况下,也能够从第1辅助气体流路将反应气体直接提供给第2辅助气体流路。另外,即使生成水储存于第1辅助气体流路的途中,该生成水也能够由反应气体而退避至分支了的第2辅助气体流路。因此,能够抑制由于第1辅助气体流路的生成水而引起的堵塞。因此,本发明所涉及的燃料电池在反应气体为低加湿的情况下,因为不仅在电极的面对于第1主气体流路以及第1辅助气体流路的部分以及其附近,而且在电极的面对于第2辅助气体流路的部分以及其附近,均能够确保对电池性能有较大影响的湿度和气体供给,所以能够提高电池性能。
再有,在本发明所涉及的燃料电池中,在所述第2隔板的一个主面上设置有沟槽状的第2主气体流路,从所述第1隔板的厚度方向进行观察,所述第2主气体流路的至少一部分可以以与所述第1隔板的第2辅助气体流路相重叠的方式设置。
由此,能够由通过高分子电解质膜的水分移动而将滞留在第2辅助气体流路的水提供给水分含有量少的第2隔板的第2主气体流路以及与该第2隔板的第2主气体流路相面对的电极侧,并能够通过两极的相对湿度提高而谋求电池性能的改善。
另外,在本发明所涉及的燃料电池中,所述第2主气体流路可以以弯曲的方式形成。
再有,在本发明所涉及的燃料电池中,所述第2主气体流路可以形成为蜿蜒(serpentine)状。
本发明的上述目的、其它的目的、特征以及优点在参照附图的基础上由以下的优选的实施方式的详细的说明而明了。
发明的效果
根据本发明的燃料电池用隔板以及燃料电池,因为即使所提供的反应气体为低加湿,也能够制作出高湿度而且高气体浓度的电极区域,所以能够提高电池性能。
附图说明
图1是示意性地表示本发明的实施方式1所涉及的燃料电池的概略结构的截面图。
图2是表示由图1所表示的燃料电池的阴极隔板的概略结构的模式图。
图3是表示由图1所表示的燃料电池的阳极隔板的概略结构的模式图。
图4是表示本发明的实施方式2所涉及的燃料电池用隔板的概略结构的模式图。
图5是表示本发明的实施方式3所涉及的燃料电池用隔板的概略结构的模式图。
图6是表示本发明的实施方式4所涉及的燃料电池用隔板的概略结构的模式图。
图7是表示本发明的实施方式5所涉及的燃料电池用隔板的概略结构的模式图。。
图8是表示本发明的实施方式6所涉及的燃料电池用隔板的概略结构的模式图。
图9是表示本发明的实施方式7所涉及的燃料电池用隔板的概略结构的模式图。
图10是表示本发明的实施方式8所涉及的燃料电池的第2隔板的概略结构的模式图。
图11是表示在试验例1中所使用的气体流路的概略结构的模式图。
图12是表示在试验例1中所使用的气体流路的概略结构的模式图。
图13是表示在试验例1中所使用的气体流路的概略结构的模式图。
图14是表示在试验例2中所使用的气体流路的概略结构的模式图。
图15是表示在试验例2中所使用的气体流路的概略结构的模式图。
图16是表示在试验例2中所使用的气体流路的概略结构的模式图。
图17是表示在参考例中所使用的气体流路的概略结构的模式图。
图18是表示在参考例中所使用的气体流路的概略结构的模式图。
符号的说明
1高分子电解质膜
2A阳极催化剂层
2B阴极催化剂层
3A阳极气体扩散层
3B阴极气体扩散层
4A阳极
4B阴极
5MEA(Membrane-Electrode-Assembly:电介质层-电极组件体)
6A垫圈
6B垫圈
7燃料气体流路
8氧化剂气体流路
9冷却介质流路
10A阳极隔板(第2隔板)
10B阴极隔板(第1隔板、燃料电池用隔板)
18第1主气体流路(沟槽)
18A第1主气体流路(沟槽)
18B第1主气体流路(沟槽)
18C第1主气体流路(沟槽)
18D第1主气体流路(沟槽)
28第1辅助气体流路(沟槽)
38第2辅助气体流路(沟槽)
48第1肋部
51氧化剂气体供给歧管孔(第1气体歧管孔)
52氧化剂气体排出歧管孔(第2气体歧管孔)
53燃料气体供给歧管孔
54燃料气体排出歧管孔
58第2肋部
68第3辅助气体流路
100燃料电池
具体实施方式
以下,一边参照附图,一边对本发明的优选的实施方式进行说明。还有,在所有的图面中,将相同的符号标注于相同或者相当的部分上,省略重复的说明。另外,在图2至图10中,将隔板上的上下方向作为图中的上下方向表示。另外,在所有的图面中,仅摘录为了说明本发明所必要的结构要素并进行图示,关于其它的结构要素,省略图示。再有,本发明并不限定于以下的实施方式。
(实施方式1)
[燃料电池堆的结构]
图1是示意性地表示本发明的实施方式1所涉及的燃料电池的概略结构的截面图。还有,在图1中,省略了燃料电池的一部分。
如图1所示,本实施方式1所涉及的燃料电池100是单电池(cell),具备MEA(Membrane-Electrode-Assembly:电解质层-电极组件体)5、垫圈6A、6B、阳极隔板10A、以及阴极隔板10B。
MEA5具有选择性地输送氢离子的高分子电解质膜(电解质层;例如美国杜邦公司制的Nafion(商品名))1、阳极4A以及阴极4B。
高分子电解质膜1具有大致四边形(在此为矩形)的形状。在高分子电解质膜1的两个面上以比其周缘部更加位于内侧的方式分别配置有阳极4A以及阴极4B(将它们称为气体扩散电极)。还有,在高分子解质膜1的周缘部以在厚度方向上进行贯通的方式设置有后面所述的氧化剂气体供给歧管孔51等的各个歧管孔。
阳极4A具备设置于高分子电解质膜1的一个主面上并由担载了电极催化剂(例如白金等的贵金属)的导电性碳粒子和具有氢离子传导性的高分子电解质的混合物所构成的阳极催化剂层2A、设置于阳极催化剂层2A的主面上并兼备了气体通气性和导电性的阳极气体扩散层3A。同样,阴极4B具备设置于高分子电解质膜1的另一个主面上并由担载了电极催化剂(例如白金等的贵金属)的导电性碳粒子和具有氢离子传导性的高分子电解质的混合物所构成的阴极催化剂层2B、设置于阴极催化剂层2B的主面上并兼备了气体通气性和导电性的阴极气体扩散层3B。
还有,阳极催化剂层2A以及阴极催化剂层2B可以使用含有担载了由贵金属构成的电极催化剂的导电性碳粒子、高分子电解质以及分散介质的催化剂层形成用油墨(ink),并由在该技术领域中的公知的方法形成。另外,作为构成阳极气体扩层3A以及阴极气体扩散层3B的材料,并没有特别的限定,可以使用该技术领域中公知的材料,例如可以使用碳布和碳纸等的导电性多孔质基材。另外,也可以用以往公知的方法在该导电性多孔质基材上施以拨水处理。另外,例如可以使用将导电性碳粒子以及高分子树脂作为主成分的导电性多孔质薄片。
另外,在MEA5的阳极4A以及阴极4B的周围配设有夹持高分子电解质膜1的一对环状且大致矩形的氟橡胶制的垫圈6A、6B。由此,能够防止燃料气体、空气和氧化剂气体向电池外泄漏,另外,能够防止这些气体在燃料电池100内发生互相混合。还有,在垫圈6A、6B的周缘部以在厚度方向上进行贯通的方式设置有后面所述的氧化剂气体供给用歧管孔51等的各个歧管孔。
另外,以夹持MEA5和垫圈6A、6B的方式配设具有导电性的板状的阳极隔板(第2隔板)10A以及阴极隔板(燃料电池用隔板;第1隔板)10B。由此,机械性地固定MEA5,并在其厚度方向上层叠多个燃料电池100的时候,电连接MEA5。还有,这些隔板10A、10B可以使用在热传导性以及导电性方面表现卓越的金属、石墨或者混合了石墨和树脂的材料。例如,可以使用通过对碳粉和胶粘剂(溶剂)的混合物实施射出成型制作的隔板、或者在钛或不锈钢制的板的表面上施以镀金而成的隔板。
在阳极隔板10A的与阳极4A相接触的一个主面(以下称之为内面)上设置有用于使燃料气体流通的沟槽状的燃料气体流路7,另外,在另一个主面(以下称之为外面)上设置有用于使冷却介质流通的沟槽状的冷却介质流路9。同样,在阴极隔板10B的与阴极4B相接触的一个主面(以下称之为内面)上设置有用于使氧化剂气体流通的沟槽状的氧化剂气体流路8,另外,在另一个主面(以下称之为外面)上设置有用于使冷却介质流通的沟槽状的冷却介质流路9。
由此,向阳极4A以及阴极4B分别提供燃料气体以及氧化剂气体,这些气体发生反应从而产生电和热。另外,通过使冷却水和乙二醇等的冷却介质流通于冷却介质流路9,从而对所产生的热实行回收。
还有,可以将如上所述构成的燃料电池100作为单电池(cell)使用,也可以层叠多个燃料电池100而作为电池堆使用。另外,在层叠燃料电池100的情况下,可以制成每2~3个单电池设置一个冷却介质流路9的结构。再有,在不将冷却介质流路9设置于单电池之间的情况下,可以使用兼作阳极隔板10A和阴极隔板10B的隔板,该隔板被2个MEA5夹持,将燃料气体流路7设置于一个主面,将氧化剂气体流路8设置于另一个主面。
接着,一边参照图1至图3,一边对阴极隔板10B以及阳极隔板10A进行详细的说明。
[隔板的结构]
图2是表示由图1所表示的燃料电池100的阴极隔板10B的概略结构的模式图。
如图2所示,作为本实施方式1所涉及的燃料电池用隔板的阴极隔板10B为板状而且构成为大致矩形。在阴极隔板10B的主面的周缘部上形成有在厚度方向上贯通的多个贯通孔,这些贯通孔构成氧化剂气体供给歧管孔51等的各个歧管孔。具体而言,氧化剂气体供给歧管孔(第1气体歧管孔)51被设置于阴极隔板10B的上部,氧化剂气体排出歧管孔(第2气体歧管孔)52被设置于阴极隔板10B的下部。另外,燃料气体供给歧管孔53被设置于阴极隔板10B的一方的侧部(图面左侧的侧部:以下称之为第1侧部)的上部,燃料气体排出歧管孔54被设置于阴极隔板10B的另一方的侧部(图面右侧的侧部:以下称之为第2侧部)的下部。还有,省略了用于提供冷却介质的冷却介质供给歧管孔以及用于排出冷却介质的冷却介质排出歧管孔。
在阴极隔板10B的内面上以连通氧化剂气体供给歧管孔51和氧化剂气体排出歧管孔52的方式设置有氧化剂气体流路8。氧化剂气体流路8由多个沟槽18、28、38所构成,各个沟槽分别构成第1主气体流路18、第1辅助气体流路28以及第2辅助气体流路38。而且,构成氧化剂气体流路8的沟槽与沟槽之间的部分形成与阴极4B相邻接的肋部,将仅由第1主气体流路18形成的(以被第1主气体流路18夹持的方式形成的)肋部称作为第1肋部48。还有,在本实施方式1中,氧化剂气体流路8相对于阴极隔板10B的中心轴C而被形成为线对称。
第1主气体流路18在此由2个沟槽所构成。其上游端被连接于氧化剂气体供给歧管孔51,其下游端被连接于氧化剂气体排出歧管孔52。另外,第1主气体流路18以向阴极4B(在图2中由虚线表示的部分)的主面的全部区域提供氧化剂气体的方式形成为蜿蜒(serpentine)状。
第1辅助气体流路28在此由3个沟槽所构成。其上游端被连接于氧化剂气体供给歧管孔51,其下游端被连接于氧化剂气体排出歧管孔52。另外,第1辅助气体流路28以分别沿着阴极4B的两侧部和中心轴C进行延伸的方式形成。
第2辅助气体流路38以从第1辅助气体流路28进行分支的方式形成。其上游端被连接于第1辅助气体流路28,其下游端被封闭。另外,第2辅助气体流路38以被设置于第1肋部48并被夹持于在第1主气体流路18的水平方向(从第1侧部到第2侧部的方向)上进行延伸的部分的方式形成。
在此,所谓第2辅助气体流路38的下游端被封闭,是指第2辅助气体流路38的下游端与其它的流路不连通的结构。例如,在本实施方式1中,第2辅助气体流路38被设置于第1肋部48,在第2辅助气体流路38的下游端与第1主气体流路18之间具有肋部。
还有,在阴极隔板10B的外面上以连通冷却介质供给歧管孔(没有图示)和冷却介质排出歧管孔(没有图示)的方式设置有冷却介质流路9。冷却介质流路9如果以将冷却介质提供给阴极隔板10B的外面的全部区域的方式形成即可,例如可以形成为蜿蜒状。
接着,一边参照图1以及图3,一边对阳极隔板10A进行详细的说明。图3是表示由图1所表示的燃料电池100的阳极隔板10A的概略结构的模式图。
如图3所示,阳极隔板10A为板状而且构成为大致矩形。在阳极隔板10A的主面的周缘部上与阴极隔板10B相同设置有氧化剂气体供给歧管孔51等的各个歧管孔。
另外,在阳极隔板10A的内面上以连通燃料气体供给歧管孔53和燃料气体排出歧管孔54的方式设置有作为第2主气体流路的燃料气体流路7。燃料气体流路7在此由2个沟槽所构成,以将燃料气体提供给阳极4A(在图3中由虚线表示的部分)的主面的全部区域的方式形成为蜿蜒状。另外,燃料气体流路7,其一部分(在此为在燃料气体流路7的水平方向上进行延伸的部分)从阳极隔板10A(阴极隔板10B)的厚度方向进行观察,以与构成氧化剂气体流路8的第2辅助气体流路38相重叠的方式设置(参照图1)。还有,在阳极隔板10A的外面上与阴极隔板10B相同设置有冷却介质流路9。
接着,一边参照图1至图3,一边对本实施方式1所涉及的燃料电池用隔板10B以及具备其的燃料电池100的作用效果进行说明。
[燃料电池用隔板以及具备其的燃料电池的作用效果]
如上所述,在作为本实施方式1所涉及的燃料电池用隔板的阴极隔板10B中,以与阴极4B的主面全部区域相面对的方式形成有第1主气体流路18,从而能够将充分的氧化剂气体提供给阴极4B全体。
另外,在阴极4B的与第2辅助气体流路38相面对的部分以及其附近(以下称之为阴极4B的与第2辅助气体流路38相面对的区域),由从设置于第1辅助气体流路28或者第2辅助气体流路38的旁边的第1主气体流路18经由阴极气体扩散层3B的伏流而提供的氧化剂气体通过电化学反应而生成水。第2辅助气体流路38,因为其下游端被封闭,所以氧化剂气体不会强制性地流通。因此,所生成的水不会沿着氧化剂气体的流动而强制性地排出至燃料电池100外,而是滞留于阴极4B的与第2辅助气体流路38相面对的区域或者第2辅助气体流路38。由此,特别是在以所谓的低加湿条件(以使反应气体的露点低于燃料电池的工作温度的方式调节水分的条件)使燃料电池100运转那样的情况下,由于该滞留的水,阴极4B的与第2辅助气体流路38相面对的区域和第2辅助气体流路38内的相对湿度上升。
因此,在本实施方式1所涉及的燃料电池用隔板10B以及具备其的燃料电池100中,在反应气体为低加湿的情况下,因为在阴极4B的与第2辅助气体流路38相面对的区域能够确保对电池性能具有较大影响的温度和气体供给,所以能够提高电池性能。
即,在作为本发明的实施方式1所涉及的燃料电池用隔板的阴极隔板10B以及具备其的燃料电池100中,特别是在以低加湿条件使燃料电池100运转那样的情况下,将构成为主要向阴极4B全部区域实行氧化剂气体的供给的第1主气体流路18、构成为向第2辅助气体流路38提供氧化剂气体的第1辅助气体流路28、以及构成为从该第1辅助气体流路28进行分支并使由电化学反应生成的水滞留的第2辅助气体流路38配设于阴极隔板10B,通过使第1主气体流路18与第2辅助气体流路38相邻接,并通过在燃料电池100内制作出高湿度和高气体浓度的区域,从而能够谋求电池性能的提高。
另外,在本实施方式1所涉及的燃料电池100中,阳极隔板10A的燃料气体流路7的一部分(在此为在燃料气体流路7的水平方向上进行延伸的部分)从阳极隔板10A(阴极隔板10B)的厚度方向进行观察,以与构成氧化剂气体流路8的第2辅助气体流路38相重叠的方式设置。因此,阳极4A的与燃料气体流路7相面对的区域即使成为低加湿状态,成为高湿度的阴极4B的与第2辅助气体流路38相面对的区域和第2辅助气体流路38内的水分也会由于浓度扩散而通过MEA5的高分子电解质膜1向阳极4A移动。由此,能够适度地保持燃料气体流路7和阳极4A内的湿度,另外,能够抑制高分子电解质膜1的干燥。因此,本实施方式1所涉及的燃料电池100能够谋求电池性能的提高。
还有,在本实施方式1中,从阳极隔板10A(阴极隔板10B)的厚度方向进行观察,以与构成氧化剂气体流路8的第2辅助气体流路38相重叠的方式设置在阳极隔板10A的燃料气体流路7的水平方向上进行延伸的部分,但是,并不限定于此,为了取得上述作用效果,燃料气体流路7的一部分也可以以与第2辅助气体流路38的一部分相重叠的方式设置。
(实施方式2)
图4是表示本发明的实施方式2所涉及的燃料电池用隔板的概略结构的模式图。
如图4所示,本实施方式2所涉及的燃料电池用隔板(阴极隔板)10B,其基本结构与实施方式1所涉及的燃料电池用隔板(阴极隔板)10B相同。在本实施方式2中,氧化剂气体流路8不是相对于中心轴C而设置成线对称,第1主气体流路18的形状与实施方式1不同。具体而言,在2个第1主气体流路18、18中,相对于中心轴C而形成于第1侧部侧的第1主气体流路18与实施方式1所涉及的燃料电池100的阴极隔板10B相同地形成。另一方面,相对于中心轴C而形成于第2侧部侧的第1主气体流路18以成为与形成于第1侧部侧的第1主气体流路18相同的形状的方式形成。即,2个第1主气体流路18、18以夹持中心轴C并互相并行的方式形成(互相并行设置)。
即使在如上所述构成的本实施方式2所涉及的燃料电池用隔板10B以及具备其的燃料电池100中,也能够取得与实施方式1所涉及的燃料电池用隔板10B以及具备其燃料电池100相同的作用效果。
(实施方式3)
图5是表示本发明的实施方式3所涉及的燃料电池用隔板的概略结构的模式图。
如图5所示,本发明的实施方式3所涉及的燃料电池用隔板(阴极隔板)10B,其基本结构与实施方式1所涉及的燃料电池用隔板(阴极隔板)10B相同。在本实施方式3中,相对于构成第1辅助气体流路28的流路的沟槽的氧化剂气体的流动成垂直方向的截面积(以下单单称之为流路的截面积)以比第1主气体流路18和第2辅助气体流路38的流路的截面积小的方式形成,这点与实施方式1不同。具体而言,在本实施方式3中,第1辅助气体流路28的流路的宽度以比第1主气体流路18和第2辅助气体流路38的流路的宽度小的方式形成。
如上所述构成的本实施方式3所涉及的燃料电池用隔板10B以及具备其的燃料电池100,也能够取得与实施方式1所涉及的燃料电池100相同的作用效果。
可是,相对于形成为直线状的第1辅助气体流路28,形成为蜿蜒状的第1主气体流路18的流路长度更长。因此,如果流路的截面积相同,那么第1辅助气体流路28的压力损失比第1主气体流路18更小,在第1辅助气体流路28中流通的氧化剂气体的流量比第1主气体流路18更多。
然而,在本实施方式3所涉及的燃料电池用隔板10B以及具备其的燃料电池100中,通过以比第1主气体流路18的流路的截面积小的方式形成第1辅助气体流路28的流路的截面积,从而能够增加在第1主气体流路18中流通的氧化剂气体的流量。因此,在本实施方式3所涉及的燃料电池用隔板10B以及具备其的燃料电池100中,能够将更多的氧化剂气体提供给阴极4B,并能够进一步谋求电池性能的提高。
还有,在本实施方式3中,为了减小第1辅助气体流路28的流路的截面积,以比第1主气体流路18和第2辅助气体流路38的流路的宽度小的方式形成第1辅助气体流路28的流路的宽度,但是,并不限定于此。例如,也可以以比第1主气体流路18和第2辅助气体流路38的流路的深度浅的方式形成第1辅助气体流路28的流路的深度。另外,例如不仅第1辅助气体流路28,第2辅助气体流路38也可以减小流路的截面积,也可以仅减小第2辅助气体流路38的流路的截面积。
(实施方式4)
图6是表示本发明的实施方式4所涉及的燃料电池用隔板的概略结构的模式图。
如图6所示,本发明的实施方式4所涉及的燃料电池用隔板(阴极隔板)10B,其基本结构与实施方式1所涉及的燃料电池用隔板(阴极隔板)10B相同。在本实施方式4中,第1辅助气体流路28和氧化剂气体排出歧管孔52不连通,即第1辅助气体流路28的下游端被封闭,这点与实施方式1不同。
在如上所述构成的本实施方式4所涉及的燃料电池用隔板10B以及具备其的燃料电池100中,因为第1辅助气体流路28和氧化剂气体排出歧管孔52不连通,所以不会强制性地将氧化剂气体提供给第1辅助气体流路28。但是,第1辅助气体流路28因为与氧化剂气体供给歧管孔51相连通,所以多少会被提供一点氧化剂气体。因此,如果氧化剂气体在第2辅助气体流路38中被消耗,那么能够从第1辅助气体流路28提供氧化剂气体。
另外,即使在生成水滞留于第1辅助气体流路28那样的情况下,也会由于氧化剂气体的压力,能够使生成水向第2辅助气体流路38内移动。因此,能够抑制生成水滞留于第1辅助气体流路28内而造成的第1辅助气体流路28的闭塞。
因此,即使在本实施方式4所涉及的燃料电池用隔板10B以及具备其的燃料电池100中,也能够取得与实施方式1所涉及的燃料电池用隔板10B以及具备其的燃料电池100相同的作用效果。
可是,在本发明所涉及的燃料电池用隔板中的反应气体流路的结构中,向第1主气体流路18和第1辅助气体流路28的反应气体的分配比对于电池性能的提高而言是重要的,但是,预先将流路截面形状和流路长度等放入到考虑中,设定该气体分配比是非常困难的。
然而,如本实施方式4所涉及的燃料电池用隔板10B那样,通过封闭第1辅助气体流路28的下游端,从而积极地将反应气体(在此为氧化剂气体)提供给气体扩散电极的是第1主气体流路18,因而没有必要设计第1主气体流路18和第1辅助气体流路28的气体分配。因此,在本实施方式4所涉及的燃料电池用隔板10B以及具备其的燃料电池100中,能够减轻气体流路的形状在流路截面形状以及流路长度等的设计上的限制。
(实施方式5)
图7是表示本发明的实施方式5所涉及的燃料电池用隔板的概略结构的模式图。
如图7所示,本发明的实施方式5所涉及的燃料电池用隔板(阴极隔板)10B,其基本结构与实施方式4所涉及的燃料电池用隔板(阴极隔板)10B相同。在本实施方式5中,第1辅助气体流路28和氧化剂气体供给歧管孔51不连通,即与实施方式4所涉及的燃料电池用隔板10B相反,第1辅助气体流路28的上游端被封闭,这点与实施方式4不同。
在如上所述构成的本实施方式5所涉及的燃料电池用隔板10B以及具备其的燃料电池100中,因为第1辅助气体流路28与氧化剂气体排出歧管孔52相连通,与氧化剂气体供给歧管孔51不连通,所以从氧化剂气体排出歧管孔52将氧化剂气体提供给第1辅助气体流路28。因此,即使在本实施方式5所涉及的燃料电池用隔板10B以及具备其的燃料电池100中,也能够取得与实施方式4所涉及的燃料电池用隔板10B以及具备其的燃料电池100相同的作用效果。
(实施方式6)
图8是表示本发明的实施方式6所涉及的燃料电池用隔板的概略结构的模式图。
如图8所示,本发明的实施方式6所涉及的燃料电池用隔板(阴极隔板)10B,其基本结构与实施方式1所涉及的燃料电池用隔板(阴极隔板)10B相同。在本实施方式6中,4个沟槽18A~18D构成第1主气体流路18A~18D,第1主气体流路18A和第1主气体流路18B、以及第1主气体流路18C和第1主气体流路18D以互相并行的方式设置,这点与实施方式1不同。还有,在第1主气体流路18A与第1主气体流路18B之间形成有第2肋部58,同样,在第1主气体流路18C与第1主气体流路18D之间形成有第2肋部58。
即使在如上所述构成的本实施方式6所涉及的燃料电池用隔板10B以及具备其的燃料电池100中,也能够取得与实施方式1所涉及的燃料电池用隔板10B以及具备其的燃料电池100相同的作用效果。
(实施方式7)
图9是表示本发明的实施方式7所涉及的燃料电池用隔板的概略结构的模式图。
如图9所示,本发明的实施方式7所涉及的燃料电池用隔板(阴极隔板)10B,其基本结构与实施方式6所涉及的燃料电池用隔板(阴极隔板)10B相同。在本实施方式7中,第1主气体流路18B以及第1主气体流路18D的下游端与氧化剂气体排出歧管孔52不连通,分别被连接于第1主气体流路18A以及第1主气体流路18C的途中,第3辅助气体流路68被设置于第2肋部58,这二点与实施方式6不同。
第3辅助气体流路68在此由2个沟槽构成,其上游端与氧化剂气供给歧管孔51连通,其下游端被封闭。另外,第3辅助气体流路68以与第1主气体流路18A以及第1主气体流路18B或者第1主气体流路18C以及第1主气体流路18D并行的方式形成。
在此,所谓第3辅助气体流路68的下游端被封闭,是指3辅助气体流路68的下游端与其它的流路不连通的结构。例如,在本实施方式7中,第3辅助气体流路68被设置于第2肋部58,在第3辅助气体流路68的下游端与第1主气体流路18A(或者第1主气体流路18C)之间具有肋部。
可是,在提供给燃料电池100的反应气体为低加湿的情况下,因为在气体流路的下游侧由于生成水的产生和气体的消耗而使湿度相对地比上游侧上升,所以在上游侧的反应气体的低的相对湿度成为由于低加湿而引起的电池性能的降低的原因。在本实施方式7所涉及的燃料电池用隔板10B以及具备其的燃料电池100中,通过将取得与第2辅助气体流路38相同的作用效果的第3辅助气体流路68设置于氧化剂气体流路8的上游侧,从而能够进一步使氧化剂气体流路8的上游侧以及阴极4B中的与氧化剂气体流路8的上游侧相面对的部分和其附近的相对湿度上升。因此,在本实施方式7所涉及的燃料电池用隔板10B以及具备其的燃料电池100中,能够进一步提高电池性能。
(实施方式8)
图10是表示本发明的实施方式8所涉及的燃料电池的第2隔板的概略结构的模式图。
本发明的实施方式8所涉及的燃料电池100,其基本结构与实施方式1所涉及的燃料电池100相同。在本实施方式8中,如图10所示,阳极隔板(第2隔板)的燃料气体流路(第2主气体流路)7的一部分(在此为在水平方向上进行延伸的部分)从阳极隔板10A(阴极隔板10B)的厚度方向进行观察,以不仅与构成氧化剂气体流路8的第2辅助气体流路38,而且与第1主气体流路18的在水平方上进行延伸的部分相重叠的方式设置,这点与实施方式1不同。
在如上所述构成的本实施方式8所涉及的燃料电池100中,能够取得与实施方式1所涉及的燃料电池100相同的作用效果。另外,在本实施方式8所涉及的燃料电池100中,通过增加燃料气体流路7上的流路的折返次数(反复数),从而能够提高压力损失,另外,能够更加均匀地将燃料气体提供给阳极4A。
还有,在上述实施方式中,使阴极隔板10B(氧化剂气体流路8)和阳极隔板10A(燃料气体流路7)的结构不同,但是,本发明并不限定于此,例如也可以制作成以燃料气体流路7与氧化剂气体流路8相同的方式设置主气体流路和第1~第3辅助气体流路的结构。在此情况下,燃料气体供给歧管孔构成第1气体歧管孔,燃料气体排出歧管孔构成第2气体歧管孔。
以上,对本发明的实施方式进行了详细的说明,但是,本发明并不限定于上述实施方式。
接着,对由模拟解析验证本发明所涉及的燃料电池用隔板10B以及具备其的燃料电池(在此为单电池)100的效果的结果进行说明。还有,为了便于评价,仅将电极面作为解析对象。
实施例
(试验例1)
图11至图13是表示在试验例1中所使用的气体流路的概略结构的模式图。
实施例1的氧化剂气体流路8使用由图11所表示的气体流路(相当于本发明的实施方式3),比较例1的氧化剂气体流路8使用由图12所表示的气体流路(蜿蜒状),比较例2的氧化剂气体流路8使用由图13所表示的气体流路(直线(straight)状)。另外,实施例1以及比较例1、2的燃料气体流路7使用由图13所表示的气体流路。
在解析过程中使用了ANSYS Japan K.K.制的FLUENT、PEM模块。发电条件是,电流密度为0.24A/cm2,燃料利用率为75%,氧利用率为55%,燃料气体为氢75%、二氧化碳25%的混合气体,氧化剂气体为空气,燃料气体以及氧化剂气体的露点为65℃,电池温度为90℃。
其结果为,在实施例1中电池电压为713.3mV,在比较例1中电池电压为708.1mV,在比较例2中电池电压为705.9mV。另外,根据高分子电解质膜1的含水量而发生变化的质子导电率在实施例1中为1.51S/m,在比较例1中为1.41S/m,在比较例2中为1.33S/m。
(试验例2)
图14至图16是表示在试验例2中所使用的气体流路的概略结构的模式图。
实施例2的氧化剂气体流路8使用由图14所表示的气体流路(相当于本发明的实施方式3),比较例3的氧化剂气体流路8使用由图15所表示的气体流路(相当于专利文献1所公开的燃料电池的氧化剂气体流路以及细沟槽)。另外,实施例2以及比较例3的燃料气体流路7使用由图16所表示的气体流路。解析除了电流密度为0.16A/cm2之外与试验例1相同地实行。
其结果为,在实施例2中电池电压为698.1mV,在比较例3中电池电压为698.9mV。另外,根据高分子电解质膜1的含水量而发生变化的质子导电率在实施例2中为1.51S/m,在比较例3中为1.41S/m。
(参考例)
图17以及图18是表示在参考例中所使用的气体流路的概略结构的模式图。
参考例1的氧化气体流路8使用由图17所表示的气体流路即由第1主气体流路18和沿着该第1主气体流路18设置的第2辅助气体流路38构成的流路,参考例2的氧化剂气体流路8使用由图18所表示的气体流路(在一般的燃料电池中所使用的蜿蜒状的流路)。另外,参考例1、2的燃料气体流路7使用由图16所表示的气体流路。解析与试验例1相同地实行。
其结果为,在参考例1中电池电压为706.3mV,在参考例2中电池电压为707.0mV。另外,根据高分子电解质膜1的含水量而发生变化的质子导电率在参考例1中为1.53S/m,在参考例2中为1.54S/m。
根据这些结果能够确认,在本发明所涉及的燃料电池用隔板10B以及具备其的燃料电池100中,高分子电解质膜1的含水量增加且对电池性能产生影响的质子导电率提高。另外,根据参考例1以及参考例2的结果,暗示了即使仅设置用于滞留生成水的第2辅助气体流路38,也不能够提高质子导电率。即,如专利文献2所公开的燃料电池那样,即使设置与反应气体歧管孔不连通的蓄水沟槽,也会因为提供给该蓄水沟槽的反应气体不充分,所以不会充分地生成水,从而暗示了不能够提高质子导电率。
因此,如本发明所涉及的燃料电池用隔板11以及具备其的燃料电池100那样,暗示了通过将构成为主要向电极全部区域实行反应气体的供给的第1主气体流路18、构成为向第2辅助气体流路38提供反应气体的第1辅助气体流路28、以及构成为从该第1辅助气体流路28进行分支并使由电化学反应生成的水滞留的第2辅助气体流路38配设于燃料电池用隔板10B,并通过在燃料电池100内制作出高湿度和高气体浓度的区域,从而能够谋求电池性能的提高。
对于本领域技术人员而言,根据上述说明能够明了本发明的众多改良和其它的实施方式。因此,上述说明应仅作为例示解释,以向本领域技术人员提示实行本发明的最佳方式为目的而提供。只要不脱离本发明的宗旨,能够实质性地变更其构造以及/或者功能的细节。另外,通过由上述实施方式所公开的多个构成要素的适当组合能够形成各种的发明。
产业上的利用可能性
本发明的燃料电池用隔板以及具备其的燃料电池在以低湿度提供反应气体的运转条件下,因为能够在单电池内部制作出湿度高的区域并能够向该区域提供反应气体而有效地进行发电,所以在燃料电池的技术领域中是有用的。
Claims (15)
1.一种燃料电池用隔板,其特征在于,
是板状的燃料电池用隔板,
具备:
第1气体歧管孔,在厚度方向上贯通,并提供反应气体;
第2气体歧管孔,在厚度方向上贯通,并排出反应气体;
1个以上的沟槽状的第1主气体流路,形成于一个主面,一端被连接于所述第1气体歧管孔,另一端被连接于所述第2气体歧管孔;
沟槽状的第1辅助气体流路,形成于所述一个主面,其一端被连接于所述第1气体歧管孔以及所述第2气体歧管孔中的至少一者;以及
沟槽状的第2辅助气体流路,形成于所述一个主面,一端从所述第1辅助气体流路进行分支,且另一端被封闭。
2.如权利要求1所述的燃料电池用隔板,其特征在于,
所述第1主气体流路以弯曲的方式形成。
3.如权利要求2所述的燃料电池用隔板,其特征在于,
所述第1主气体流路被形成为蜿蜒状。
4.如权利要求3所述的燃料电池用隔板,其特征在于,
所述第2辅助气体流路被设置于第1肋部上,该第1肋部被形成为由所述第1主气体流路夹持。
5.如权利要求1所述的燃料电池用隔板,其特征在于,
所述第1辅助气体流路的截面积比所述第1主气体流路的截面积小。
6.如权利要求1所述的燃料电池用隔板,其特征在于,
所述第1辅助气体流路的一端被连接于所述第1气体歧管孔,另一端被连接于所述第2气体歧管孔。
7.如权利要求1所述的燃料电池用隔板,其特征在于,
所述第1辅助气体流路的一端被连接于所述第1气体歧管孔,另一端被封闭。
8.如权利要求1所述的燃料电池用隔板,其特征在于,
所述第1辅助气体流路的一端被封闭,另一端被连接于所述第2气体歧管孔。
9.如权利要求1所述的燃料电池用隔板,其特征在于,
多个所述第1主气体流路以并行的方式设置,
在形成于该多个第1主气体流路之间的第2肋部上,设置有沟槽状的第3辅助气体流路。
10.如权利要求9所述的燃料电池用隔板,其特征在于,
所述第3辅助气体流路的一端被连接于所述第1气体歧管孔或者所述第2气体歧管孔,另一端被封闭。
11.如权利要求1所述的燃料电池用隔板,其特征在于,
设置有1个以上的所述第2辅助气体流路。
12.一种燃料电池,其特征在于,
具备:
板状的第1隔板,具备:第1气体歧管孔,在厚度方向上贯通,并提供反应气体;第2气体歧管孔,在厚度方向上贯通,并排出反应气体;1个以上的沟槽状的第1主气体流路,形成于一个主面,一端被连接于所述第1气体歧管孔,另一端被连接于所述第2气体歧管孔;沟槽状的第1辅助气体流路,形成于所述一个主面,其一端被连接于所述第1气体歧管孔以及所述第2气体歧管孔中的至少一者;以及沟槽状的第2辅助气体流路,形成于所述一个主面,一端从所述第1辅助气体流路进行分支,另一端被封闭;
板状的第2隔板;以及
膜-电极组件体,配置于所述第1隔板和所述第2隔板之间。
13.如权利要求12所述的燃料电池,其特征在于,
在所述第2隔板的一个主面上,设置有沟槽状的第2主气体流路,
从所述第1隔板的厚度方向进行观察,所述第2主气体流路的至少一部分以与所述第1隔板的第2辅助气体流路相重叠的方式设置。
14.如权利要求12所述的燃料电池,其特征在于,
所述第2主气体流路以弯曲的方式形成。
15.如权利要求14所述的燃料电池,其特征在于,
所述第2主气体流路被形成为蜿蜒状。
Applications Claiming Priority (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2009-050063 | 2009-03-04 | ||
JP2009050063 | 2009-03-04 | ||
PCT/JP2010/001314 WO2010100872A1 (ja) | 2009-03-04 | 2010-02-26 | 燃料電池用セパレータ及びそれを備える燃料電池 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
CN102341945A true CN102341945A (zh) | 2012-02-01 |
CN102341945B CN102341945B (zh) | 2015-01-21 |
Family
ID=42709441
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
CN201080010443.9A Expired - Fee Related CN102341945B (zh) | 2009-03-04 | 2010-02-26 | 燃料电池用隔板以及具备其的燃料电池 |
Country Status (4)
Country | Link |
---|---|
EP (1) | EP2405515B1 (zh) |
JP (1) | JP4875223B2 (zh) |
CN (1) | CN102341945B (zh) |
WO (1) | WO2010100872A1 (zh) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN104091956A (zh) * | 2014-07-21 | 2014-10-08 | 江苏超洁绿色能源科技有限公司 | 区域化、逆流道的大功率空冷型pemfc电堆双极板 |
CN108417857A (zh) * | 2018-03-02 | 2018-08-17 | 上海恒劲动力科技有限公司 | 一种燃料电池导流极板及燃料电池堆和系统 |
Families Citing this family (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2010225473A (ja) * | 2009-03-24 | 2010-10-07 | Toshiba Corp | 燃料電池 |
KR101416397B1 (ko) | 2013-03-19 | 2014-07-08 | 현대자동차 주식회사 | 연료전지 시스템 및 이의 운전방법 |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH1116591A (ja) * | 1997-06-26 | 1999-01-22 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | 固体高分子型燃料電池、固体高分子型燃料電池システム及び電気機器 |
JP2001110432A (ja) * | 1999-10-08 | 2001-04-20 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | 高分子電解質型燃料電池 |
WO2003041199A2 (en) * | 2001-11-07 | 2003-05-15 | Intelligent Energy Limited | Fuel cell fluid flow field plates |
US20040076869A1 (en) * | 2002-08-11 | 2004-04-22 | Nissan Motor Co., Ltd. | Fuel cell |
JP2004146230A (ja) * | 2002-10-25 | 2004-05-20 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | 燃料電池のセパレータ |
Family Cites Families (18)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH10284094A (ja) * | 1997-04-10 | 1998-10-23 | Asahi Glass Co Ltd | 燃料電池 |
JP4523089B2 (ja) * | 1999-04-09 | 2010-08-11 | 本田技研工業株式会社 | 燃料電池スタック |
JP4542640B2 (ja) * | 1999-02-23 | 2010-09-15 | 本田技研工業株式会社 | 燃料電池スタック |
JP3530793B2 (ja) * | 1999-12-28 | 2004-05-24 | 本田技研工業株式会社 | 燃料電池およびその運転方法 |
CA2437892C (en) * | 2001-02-12 | 2010-12-14 | The Morgan Crucible Company Plc | Flow field plate geometries |
JP4340417B2 (ja) * | 2002-03-26 | 2009-10-07 | パナソニック株式会社 | 高分子電解質型燃料電池 |
JP5006506B2 (ja) * | 2003-01-20 | 2012-08-22 | パナソニック株式会社 | 燃料電池及びその運転方法 |
DE10323644B4 (de) * | 2003-05-26 | 2009-05-28 | Daimler Ag | Brennstoffzelle mit Anpasssung der lokalen flächenspezifischen Gasströme |
GB2413001A (en) * | 2004-04-02 | 2005-10-12 | Morgan Crucible Co | Flow field plate geometries |
JP2005158513A (ja) * | 2003-11-26 | 2005-06-16 | Nissan Motor Co Ltd | 燃料電池 |
JP2005190714A (ja) * | 2003-12-24 | 2005-07-14 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | 燃料電池用流体流動フィールド板および燃料電池 |
US7524575B2 (en) * | 2004-06-07 | 2009-04-28 | Hyteon Inc. | Flow field plate for use in fuel cells |
JP4907091B2 (ja) * | 2005-02-24 | 2012-03-28 | 三菱電機株式会社 | 燃料電池用セパレータ |
JP5076343B2 (ja) * | 2006-03-29 | 2012-11-21 | 株式会社日立製作所 | 燃料電池用セパレータ及び燃料電池 |
JP2007335255A (ja) * | 2006-06-15 | 2007-12-27 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | 燃料電池スタック及び燃料電池システム |
US8614025B2 (en) * | 2007-12-28 | 2013-12-24 | Panasonic Corporation | Fuel cell separator and fuel cell comprising the same |
CN102007634B (zh) * | 2008-05-19 | 2014-08-06 | 松下电器产业株式会社 | 燃料电池用隔板以及具备该隔板的燃料电池 |
EP2278647B1 (en) * | 2008-05-19 | 2016-07-27 | Panasonic Intellectual Property Management Co., Ltd. | Separator for fuel cell and fuel cell provided with same |
-
2010
- 2010-02-26 CN CN201080010443.9A patent/CN102341945B/zh not_active Expired - Fee Related
- 2010-02-26 EP EP10748473.5A patent/EP2405515B1/en not_active Not-in-force
- 2010-02-26 WO PCT/JP2010/001314 patent/WO2010100872A1/ja active Application Filing
- 2010-02-26 JP JP2011502631A patent/JP4875223B2/ja active Active
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH1116591A (ja) * | 1997-06-26 | 1999-01-22 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | 固体高分子型燃料電池、固体高分子型燃料電池システム及び電気機器 |
JP2001110432A (ja) * | 1999-10-08 | 2001-04-20 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | 高分子電解質型燃料電池 |
WO2003041199A2 (en) * | 2001-11-07 | 2003-05-15 | Intelligent Energy Limited | Fuel cell fluid flow field plates |
US20040076869A1 (en) * | 2002-08-11 | 2004-04-22 | Nissan Motor Co., Ltd. | Fuel cell |
JP2004146230A (ja) * | 2002-10-25 | 2004-05-20 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | 燃料電池のセパレータ |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN104091956A (zh) * | 2014-07-21 | 2014-10-08 | 江苏超洁绿色能源科技有限公司 | 区域化、逆流道的大功率空冷型pemfc电堆双极板 |
CN108417857A (zh) * | 2018-03-02 | 2018-08-17 | 上海恒劲动力科技有限公司 | 一种燃料电池导流极板及燃料电池堆和系统 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
CN102341945B (zh) | 2015-01-21 |
EP2405515A1 (en) | 2012-01-11 |
JP4875223B2 (ja) | 2012-02-15 |
EP2405515B1 (en) | 2013-10-23 |
JPWO2010100872A1 (ja) | 2012-09-06 |
EP2405515A4 (en) | 2013-02-27 |
WO2010100872A1 (ja) | 2010-09-10 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP6717976B2 (ja) | 断面積が変化する反応物ガスチャネルを備えるバイポーラプレート、燃料電池スタック、およびそのような燃料電池スタックを有する乗り物 | |
US6303245B1 (en) | Fuel cell channeled distribution of hydration water | |
KR100528340B1 (ko) | 액체연료 혼합장치 및 이를 적용한 직접액체연료 전지 | |
US20060115705A1 (en) | Bipolar plate and direct liquid feed fuel cell stack | |
CN102341945B (zh) | 燃料电池用隔板以及具备其的燃料电池 | |
US20140099565A1 (en) | Fuel cell comprising a proton-exchange membrane, having an increased service life | |
CN102007634A (zh) | 燃料电池用隔板以及具备该隔板的燃料电池 | |
JP2005142001A (ja) | スタック構造を有する燃料電池 | |
CN102714321B (zh) | 燃料电池及具有燃料电池的车辆 | |
US8568939B2 (en) | Fuel cell including fluid-permeable members of differing thermal resistances with respect to an electrolytic membrane | |
US20110086288A1 (en) | Fuel cell structure with porous metal plate | |
JP6175278B2 (ja) | 燃料電池スタックおよび燃料電池システム | |
JP5653867B2 (ja) | 燃料電池 | |
US8568941B2 (en) | Fuel cell separator and fuel cell including same | |
KR20140020298A (ko) | 사용수명이 증가된 양성자교환막을 포함하는 연료전지 | |
JP5286070B2 (ja) | 燃料電池セパレータ | |
KR102604253B1 (ko) | 바이폴라 플레이트를 갖는 연료 전지 스택, 및 연료 전지 시스템 | |
KR20030091485A (ko) | 직접액체 연료 전지의 연료공급방법 및 이를 적용한직접액체연료 전지장치 | |
JP2008021533A (ja) | 燃料電池スタック | |
US20230378484A1 (en) | Bipolar plate having duct divisions present in the active region, and a fuel cell stack | |
JP5657429B2 (ja) | 燃料電池 | |
JP2010034005A (ja) | 燃料電池 | |
US20060240292A1 (en) | Fuel cell | |
WO2009030313A1 (en) | Modified gas diffusion layer in fuel cells | |
WO2006134867A1 (ja) | 燃料電池 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
C14 | Grant of patent or utility model | ||
GR01 | Patent grant | ||
CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20150121 Termination date: 20180226 |
|
CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |