JP2001052723A - 燃料電池スタック - Google Patents
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Abstract
が折り返す際に、前記流体の流速が部分的に低下するこ
とがなく、生成水を確実に除去することを可能にする。 【解決手段】第1セパレータ14の面14aには、酸化
剤ガス入口36aに連通する第1ガス流路溝44a〜4
4fと、前記第1ガス流路溝44a〜44fが合流して
酸化剤ガス出口36bに連通する第2ガス流路溝46a
〜46cとが設けられるとともに、前記第1ガス流路溝
44a〜44fと前記第2ガス流路溝46a〜46cの
第1および第2折り返し部位48、50には、空気の流
通を可能にする第1連通路52a〜52eおよび第2連
通路54a、54bが設けられる。
Description
側電極とカソード側電極とで挟んで構成される単位燃料
電池セルを、セパレータを介して複数個積層した燃料電
池スタックに関する。
子イオン交換膜(陽イオン交換膜)からなる電解質の両
側にそれぞれアノード側電極およびカソード側電極を対
設して構成された単位燃料電池セルを、セパレータによ
って挟持することにより構成されている。この固体高分
子型燃料電池は、通常、単位燃料電池セルおよびセパレ
ータを所定数だけ積層することにより、燃料電池スタッ
クとして使用されている。
極に供給された燃料ガス、例えば、水素ガスは、触媒電
極上で水素イオン化され、適度に加湿された電解質を介
してカソード側電極側へと移動する。その間に生じた電
子が外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして
利用される。カソード側電極には、酸化剤ガス、例え
ば、酸素ガスあるいは空気が供給されているために、こ
のカソード側電極において、前記水素イオン、前記電子
および酸素ガスが反応して水が生成される。
側電極にそれぞれ燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給する
ために、通常、触媒電極層(電極面)に導電性を有する
多孔質層、例えば、多孔質カーボンペーパがセパレータ
により挟持されるとともに、各セパレータの互いに対向
する面には、均一な幅寸法に設定された1本または複数
本のガス流路が設けられている。
に開示されている燃料電池スタックでは、図10に示す
ように、プレート1に酸化剤ガス用開口2および出口開
口3が貫通形成されるとともに、このプレート1の面4
には、前記開口2および前記出口開口3を連通する複数
本の流路溝5a〜5fが蛇行するように形成されてい
る。
〜5fは面4内で蛇行しているため、プレート1の両側
部側に対応して複数の折り返し部位6が設けられてい
る。しかしながら、折り返し部位6では、外側の流路溝
5aが比較的大きな曲率を有するものの、内側の流路溝
5fや5eでは、曲率が相当に小さなものとなってい
る。従って、折り返し部位6の内側(流路溝5f側)と
外側(流路溝5a側)で圧損が異なり、前記内側でガス
が流れ難くなってしまう。
eでガス流速が著しく下がってしまい、この流路溝5f
や5eから生成水を除去することが困難なものになって
いる。この生成水が多孔質層に蓄積されると、燃料ガス
および酸化剤ガスの触媒電極層への拡散性が低下し、発
電性能が著しく悪くなるという問題が指摘されている。
り、簡単な構成でセパレータ面内でのガスの流通性を有
効に向上させるとともに、良好な排水性を確保すること
が可能な燃料電池スタックを提供することを目的とす
る。
燃料電池スタックでは、セパレータの面内に燃料ガスま
たは酸化剤ガスのうち、少なくともいずれか一方を含む
流体を流す複数本の流路溝が設けられ、前記流路溝が前
記セパレータの面内で折り返し部位を有するとともに、
前記折り返し部位には、互いに隣接する前記流路溝間で
前記流体の流通を可能にするための連通路が設けられて
いる。
で折り返す際に、流体が連通路を介して各流路溝間を流
通することができ、前記折り返し部位で内側と外側の流
路圧損を均一化することが可能になり、流体が円滑に流
れることになる。従って、流体の流速が低下することに
よる生成水の除去不良を確実に阻止することができる。
が、連通路を介して他の流路溝に導入されるため、全流
路溝で流速の低下を有効に阻止して生成水の除去処理が
円滑かつ確実に遂行されるとともに、セパレータ面内を
流通する流体の流れが均一化されるため、このセパレー
タ面内の反応が均一になり、発電性能を良好に維持する
ことが可能になる。
は、ガス入口側の流路溝の本数よりもガス出口側の流路
溝の本数が削減されるため、ガス出口側での流速を増加
させることができる。これにより、ガス出口側において
増加した流速によって、生成水の除去作業が一層有効に
遂行される。
に係る燃料電池スタック10の要部分解斜視図であり、
図2は、前記燃料電池スタック10の概略縦断面説明図
である。
ル12と、この単位燃料電池セル12を挟持する第1お
よび第2セパレータ14、16とを備え、必要に応じて
これらが複数組だけ積層されている。燃料電池スタック
10は、全体として直方体状を有しており、例えば、短
辺方向(矢印A方向)が重力方向に指向するとともに、
長辺方向(矢印B方向)が水平方向に指向して配置され
る。
質膜18と、この電解質膜18を挟んで配設されるカソ
ード側電極20およびアノード側電極22とを有すると
ともに、前記カソード側電極20および前記アノード側
電極22には、例えば、多孔質層である多孔質カーボン
ペーパ等からなる第1および第2ガス拡散層24、26
が配設される。
よび第2ガスケット28、30が設けられ、前記第1ガ
スケット28は、カソード側電極20および第1ガス拡
散層24を収納するための大きな開口部32を有する一
方、前記第2ガスケット30は、アノード側電極22お
よび第2ガス拡散層26を収納するための大きな開口部
34を有する。単位燃料電池セル12と第1および第2
ガスケット28、30とが、第1および第2セパレータ
14、16によって挟持される。
ータ14は、カソード側電極20に対向する面14aお
よび反対側の面14bが長方形状に設定されており、例
えば、長辺35aが水平方向に指向するとともに、短辺
35bが重力方向に指向して配置される。
縁部上部側には、酸素ガスまたは空気である酸化剤ガス
を通過させるための酸化剤ガス入口36aと、水素ガス
等の燃料ガスを通過させるための燃料ガス入口38aと
が上下方向に長尺形状を有して設けられる。第1セパレ
ータ14の短辺35b側の両端縁部略中央側には、純水
やエチレングリコールやオイル等の冷却媒体を通過させ
るための冷却媒体入口40aおよび冷却媒体出口40b
が設けられるとともに、前記第1セパレータ14の短辺
35b側の両端縁部下部側には、酸化剤ガス出口36b
と燃料ガス出口38bとが酸化剤ガス入口36aおよび
燃料ガス入口38aとは対角の位置にかつ上下方向に長
尺形状を有して設けられている。
剤ガス入口36aと酸化剤ガス出口36bとに連通する
酸化剤ガス流路42が形成される。酸化剤ガス流路42
は、複数本、例えば、6本の第1ガス流路溝44a〜4
4fを備えており、前記第1ガス流路溝44a〜44f
の一端側が酸化剤ガス入口36aに連通する。
ガス入口36a側から燃料ガス入口38a側に向かって
水平方向(矢印B方向)に延在した後、下方向(矢印A
方向)に屈曲し、さらに冷却媒体入口40a側から冷却
媒体出口40b側に向かって水平方向に延在する。冷却
媒体出口40bの近傍では、第1ガス流路溝44a〜4
4fが2本ずつ第2ガス流路溝46a〜46cに合流す
るとともに、前記第2ガス流路溝46a〜46cは、水
平方向に延在して酸化剤ガス出口36bに連通する。
路溝44a〜44fが互いに略同一の間隔を有して折り
返す第1折り返し部位48と、第1ガス流路溝44a〜
44fが3本の第2ガス流路溝46a〜46cに合流し
た後、互いに所定の間隔を有して折り返す第2折り返し
部位50とを有する。
在する入口側の第1ガス流路溝44a〜44f間で酸化
剤ガスの流通を可能にするための第1連通路52a〜5
2eが設けられる。第1連通路52a〜52eは、酸化
剤ガスの流れ方向下流側から上流側にそれぞれ所定の距
離ずつ離間して設けられている。第1連通路52aは、
最外周側に位置する第1ガス流路溝44a、44bを互
いに連通する一方、第1連通路52eは、最内周側に位
置する第1ガス流路溝44f、44eを互いに連通して
いる。
在する入口側の第2ガス流路溝46a〜46c間で酸化
剤ガスの流通を可能にするための第2連通路54a、5
4bが設けられる。最内周側に位置する第2ガス流路溝
46aと46bを連通する第2連通路54aは、最外周
側に位置する第2ガス流路溝46cと46bを連通する
第2連通路54bよりも、酸化剤ガスの流れ方向上流側
に所定距離だけ離間して設けられている。
長方形状に形成されており、この第2セパレータ16の
短辺側の両端縁部上部側には、酸化剤ガス入口62aお
よび燃料ガス入口64aが貫通形成されるとともに、そ
の両端縁部略中央部には、冷却媒体入口66aおよび冷
却媒体出口66bが貫通形成される。第2セパレータ1
6の短辺側の両端縁部下部側には、酸化剤ガス出口62
bおよび燃料ガス出口64bが酸化剤ガス入口62aお
よび燃料ガス入口64aと対角位置になるように貫通形
成されている。
に対向する面16aには、図2に示すように、燃料ガス
入口64aと燃料ガス出口64bとを連通する燃料ガス
流路68が形成される。燃料ガス流路68は、酸化剤ガ
ス流路42と同様に構成されており、同一の構成要素に
は同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略す
る。
ータ16の面16aとは反対側の面16bには、冷却媒
体入口66aと冷却媒体出口66bとに連通して冷却媒
体流路70a〜70dが設けられる。冷却媒体流路70
a〜70dは、冷却媒体入口66aおよび冷却媒体出口
66bに連通するそれぞれ1本の主流路溝72a、72
bを備えるとともに、前記主流路溝72a、72b間に
は、複数本、例えば、4本の分岐流路溝74が互いに平
行にかつ所定間隔ずつ離間し水平方向に延在して設けら
れている。
る燃料電池スタック10の動作について、以下に説明す
る。
(例えば、炭化水素を改質した水素を含むガス)が供給
されるとともに、酸化剤ガスとして空気または酸素ガス
(以下、単に空気という)が供給される。この空気は、
第1セパレータ14の酸化剤ガス入口36aから酸化剤
ガス流路42に導入される。図3に示すように、酸化剤
ガス流路42に供給された空気は、まず、第1ガス流路
溝44a〜44fに導入されて第1セパレータ14の面
14aの長辺方向(矢印B方向)に沿って蛇行しながら
重力方向に移動する。
散層24を通って単位燃料電池セル12のカソード側電
極20に供給される。そして、未使用の空気は、第1ガ
ス流路溝44a〜44fを通って第2ガス流路溝46a
〜46cに合流されて矢印B方向に移動しながらカソー
ド側電極20に供給される一方、残余の空気が酸化剤ガ
ス出口36bから排出される。
る6本の第1ガス流路溝44a〜44fが、水平方向一
方(図3中、矢印B1方向)に延在した後に第1折り返
し部位48で折り返して水平方向他方(図3中、矢印B
2方向)に延在している。ここで、第1折り返し部位4
8の最外周に位置する第1ガス流路溝44aは、角度が
それぞれ90゜の折り返しを2つ有しかつ各折り返し間
に比較的長い流路長が設けられている。このため、第1
ガス流路溝44aを流れる酸化剤ガスは、比較的円滑に
第1折り返し部位48を通過することができる。
置する第1ガス流路溝44fは、実際上、180゜の角
度にわたって1回折り返されている。従って、第1ガス
流路溝44fでは、第1ガス流路溝44aに比べて流路
圧損が相当に大きなものとなってしまう。
し部位48の入口側に、互いに隣接する第1ガス流路溝
44a〜44f間を連通する第1連通路52a〜52e
が設けられている。このため、図5に示すように、第1
ガス流路溝44fに供給されて第1折り返し部位48で
角度90゜だけ折り返された空気の一部は、第1連通路
52eを介して第1ガス流路溝44eに流れることがで
きる。
1折り返し部位48で角度90゜だけ折り返された空気
は、その一部が第1連通路52dを通って第1ガス流路
溝44dに導入される。さらに、第1ガス流路溝44d
を流れる空気の一部は、第1折り返し部位48の入口側
で第1連通路52cを介して第1ガス流路溝44cに、
この第1ガス流路溝44cを流れる空気の一部は、第1
連通路52bを介して第1ガス流路溝44bに、この第
1ガス流路溝44bを流れる空気の一部は、第1連通路
52aを介して第1ガス流路溝44aに、それぞれ導入
される。
(第1ガス流路溝44f)と外側(第1ガス流路溝44
a)とで圧損が異なることがなく、第1ガス流路溝44
a〜44fの圧損を均一化することができ、全体にわた
って流速を均一化して生成水を確実かつ円滑に排出する
ことが可能になるという効果が得られる。さらに、第1
セパレータ14の面14a内にわたって空気の流れが均
一化されるため、発電面内での反応が均一に行われ、発
電性能を良好に維持することができるという利点があ
る。
第2ガス流路溝46aを流れる空気の一部が、この第2
折り返し部位50の入口側で第2連通路54aから第2
ガス流路溝46bに導入されるとともに、この第2ガス
流路溝46bを流れる空気の一部が、前記第2折り返し
部位50の入口側で第2連通路54bを通って外側の第
2ガス流路溝46cに導入される。従って、空気が第2
ガス流路溝46a〜46c内を所望の流速を維持して均
一に流れるため、生成水の除去が確実に遂行される。
の第1ガス流路溝44a〜44fが、3本の第2ガス流
路溝46a〜46cに合流された後に折り返されてい
る。このため、特に第2折り返し部位50では、流路圧
損が相当に大きくなり、空気の流れが不均一になり易
い。そこで、第2折り返し部位50に、鉛直方向に延在
する入口側の第2ガス流路溝46a〜46c間で酸化剤
ガスの流通を可能にするための第2連通路54a、54
bを設けることにより、前記第2ガス流路溝46a〜4
6cの圧損を確実に均一化することができ、空気を円滑
かつ均一に流すことが可能になる。
第1ガス流路溝44a〜44fが、酸化剤ガス出口36
b側で3本の第2ガス流路溝46a〜46cに合流して
溝本数を半減させている。これにより、酸化剤ガス出口
36b近傍での空気の流速を増加させることができ、こ
の酸化剤ガス出口36bから生成水を一層有効に除去す
ることが可能になる。このため、第1セパレータ14の
面14a内において、ガス供給不足による濃度過電圧の
増加を防止することができ、燃料電池スタック10を安
定して運転することが可能になるという利点がある。
ガス入口64aから燃料ガス流路68に供給された燃料
ガスが、面16aに沿って水平方向に蛇行しながら重力
方向に移動する。その際、酸化剤ガス流路42に供給さ
れた空気と同様に、燃料ガス中の水素ガスが第2ガス拡
散層26からアノード側電極22に供給される一方、未
使用の燃料ガスが燃料ガス出口64bから排出される。
に加湿用に添加した水分が結露した水や、カソード側電
極20側での生成水が電解質膜18を透過した水が存在
し易い。しかしながら、第2セパレータ16の面16a
に形成された燃料ガス流路68は、酸化剤ガス流路42
と同様に構成されており、この燃料ガス流路68全体に
おいて燃料ガスの流速を均一化することができ、水の除
去が確実に遂行されるという効果が得られる。
が供給されており、この冷却媒体は、第1および第2セ
パレータ14、16の冷却媒体入口40a、66aに供
給される。図4に示すように、第2セパレータ16の冷
却媒体入口66aに供給された冷却媒体は、冷却媒体流
路70a〜70dを構成する各主流路溝72aに導入さ
れ、前記主流路溝72aに沿って上方向、水平方向およ
び下方向に向かって流れる。冷却媒体は、それぞれの主
流路溝72aから分岐された複数の分岐流路溝74に導
入され、前記分岐流路溝74に沿って面16b内の略全
面にわたり水平方向に流れた後、前記分岐流路溝74が
合流する主流路溝72bを通って冷却媒体出口66bか
ら排出される。
料電池スタックを構成する第1セパレータ76の面76
aの一部正面説明図である。なお、第1の実施形態に係
る燃料電池スタック10を構成する第1セパレータ14
と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳
細な説明は省略する。
剤ガス流路42が設けられるとともに、この酸化剤ガス
流路42の第1折り返し部位48には、鉛直方向に延在
する入口側の第1連通路52a〜52eの他に、下流側
で水平方向に延在する出口側の第1ガス流路溝44a〜
44f間で酸化剤ガスの流通を可能にするための第1連
通路78a〜78eが設けられている。この第1連通路
78a〜78eは、酸化剤ガスの流れ方向下流側から上
流側にそれぞれ所定間隔ずつ離間して設けられている。
0には、鉛直方向に延在する入口側の第2連通路54
a、54bの他に、下流側で水平方向に延在する出口側
の第2ガス流路溝46a〜46c間で酸化剤ガスの流通
を可能にするための第2連通路79a、79bが設けら
れている。最内周側の第2ガス流路溝46aと46bを
連通する第2連通路79aは、最外周側の第2ガス流路
溝46cと46bを連通する第2連通路79bよりも、
酸化剤ガスの流れ方向下流側に所定距離だけ離間して設
けられている。
は、第1ガス流路溝44a〜44fに沿って水平方向
(矢印B1方向)に流れる空気が、第1折り返し部位4
8で折り返される際、図7に示すように、この第1折り
返し部位48の入口側に設けられた第1連通路52a〜
52eを介して前記第1ガス流路溝44a〜44fの圧
損を均一化することができる。
沿って流れる空気が、第1折り返し部位48の出口側に
設けられた第1連通路78a〜78eに導入されること
により、前記第1ガス流路溝44a〜44fの圧損が均
一化される。これにより、第1ガス流路溝44a〜44
f全体として空気の流速を均一化することが可能にな
り、生成水をより一層確実かつ容易に除去することがで
きるという効果が得られる。
〜44fが3本の第2ガス流路溝46a〜46cに合流
された後に折り返される第2折り返し部位50には、入
口側の第2連通路54a、54bと出口側の第2連通路
79a、79bとが設けられている。このため、第2ガ
ス流路溝46a〜46cは、第2折り返し部位50の入
口側および出口側で圧損が均一化され、この第2ガス流
路溝46a〜46c全体として空気の流速をより一層確
実に均一化することが可能になる。
料電池スタックを構成する第1セパレータ80の面80
aの一部正面説明図である。第1セパレータ80の面8
0aには、酸化剤ガス流路82が形成されるとともに、
この酸化剤ガス流路82は、複数本、例えば、10本の
第1ガス流路溝84a〜84jを備えている。第1ガス
流路溝84a〜84jは、水平方向に延在して2本ずつ
第2ガス流路溝86a〜86eに合流した後、前記第2
ガス流路溝86a〜86eが折り返し部位88で折り返
して水平方向に延在している。
る入口側の第2ガス流路溝86a〜86e間で空気の流
通を可能にするための第1連通路90a〜90dおよび
92a〜92dと、水平方向に延在する出口側の前記第
2ガス流路溝86a〜86e間で前記空気の流通を可能
にするための第2連通路94a〜94d、96a〜96
dおよび98a〜98dが設けられる。
気の流れ方向下流側から上流側にそれぞれ所定間隔ずつ
離間して設けられており、第1連通路92a〜92d
は、同様に前記空気の流れ方向下流側から上流側にそれ
ぞれ所定間隔ずつ離間して設けられている。出口側の第
2連通路94a〜94d、96a〜96dおよび98a
〜98dは、それぞれ空気の流れ方向上流側から下流側
に所定間隔ずつ離間して設けられている。
は、第1ガス流路溝84a〜84jに沿って水平方向に
流れる空気は、第2ガス流路溝86a〜86eに合流さ
れた後に折り返し部位88で折り返される。その際、折
り返し部位88の内側である第2ガス流路溝86eで
は、実質的に180゜の角度にわたって折り返されてお
り、空気が流れ難くなってしまう。
86eの鉛直部分に第1連通路90dおよび92dを介
して第2ガス流路溝86dが連通しており、前記第2ガ
ス流路溝86eの鉛直部分を流れる空気の一部が、前記
第1連通路90dおよび92dを通って第2ガス流路溝
86dの鉛直部分に導入される。
る第2ガス流路溝86eと前記折り返し部位88の外側
である第2ガス流路溝86aの流路圧損を均一化するこ
とができる。これにより、第2ガス流路溝86a〜86
eの圧損を均一化し、全体としての流速を均一にするこ
とが可能になり、生成水を確実に除去し得るという効果
がある。
86e間で空気の流通を可能にするために、第1連通路
90a〜90dと第1連通路92a〜92dとが2段階
に設けられている。このため、折り返し部位88におい
て、第2ガス流路溝86a〜86eの圧損をより一層確
実に均一化することができ、生成水の除去が円滑に遂行
されるとともに、第1セパレータ80の面80a内の反
応が均一に行われるという利点がある。
ガス流路溝86a〜86eを互いに連通する第2連通路
94a〜94d、96a〜96dおよび98a〜98d
が形成されている。これにより、第1連通路90a〜9
0dおよび92a〜92dを通って外側に移動した空気
を折り返し部位88の内側に戻すことができ、第2ガス
流路溝86a〜86e全体の圧損を均一化することが可
能になる。
から第2ガス流路溝86a〜86eに導入された空気
は、折り返し部位88で折り返された後に部分的にガス
流速の低下を惹起することがなく、全体として流速を均
一化して第1セパレータ80の面80a内の生成水を確
実に排出することができるという利点が得られる。
2a〜92dと、第2連通路94a〜94d、96a〜
96dおよび98a〜98dを、図9に示すように、酸
化剤ガスの流れ方向に傾斜して構成してもよい。これに
より、酸化剤ガスの流通が一層円滑に遂行されるという
効果が得られる。
料ガスや酸化剤ガスを含む流体を流す複数本の流路溝が
セパレータの面内で折り返す際に、連通路を介して各流
路溝間で前記流体の流通が可能となっており、前記流路
溝での部分的なガス流速の低下を有効に阻止し、生成水
を確実に除去することができる。これにより、簡単な構
成で、発電面内の発電効率のばらつきを惹起することが
なく、所望の発電性能を維持することが可能になる。
クの要部分解斜視図である。
る。
タの一方の面の正面説明図である。
ある。
の拡大説明図である。
を構成する第1セパレータの面の一部正面説明図であ
る。
の拡大説明図である。
を構成する第1セパレータの面の一部正面説明図であ
る。
の別の形状の拡大説明図である。
る。
セル 14、16、76、80…セパレータ 14a、14b、16a、16b、76a、80a…面 18…電解質膜 20…カソード側電
極 22…アノード側電極 24、26…ガス拡
散層 36a、62a…酸化剤ガス入口 36b…酸化剤ガス
出口 38a、64a…燃料ガス入口 38b、64b…燃
料ガス出口 42、82…酸化剤ガス流路 44a〜44f、84a〜84j…第1ガス流路溝 46a〜46c、86a〜86e…第2ガス流路溝 48、50、88…折り返し部位 52a〜52e、78a〜78e、90a〜90d、9
2a〜92d…第1連通路 54a、54b、79a、79b、94a〜94d、9
6a〜96d、98a〜98d…第2連通路 68…燃料ガス流路
Claims (2)
- 【請求項1】電解質をアノード側電極とカソード側電極
とで挟んで構成される単位燃料電池セルを、セパレータ
を介して複数個積層した燃料電池スタックであって、 前記セパレータの面内には、前記アノード側電極に供給
される燃料ガスまたは前記カソード側電極に供給される
酸化剤ガスのうち、少なくともいずれか一方を含む流体
を流す複数本の流路溝が設けられるとともに、 前記流路溝は、前記セパレータの面内で折り返し部位を
有し、前記折り返し部位には、互いに隣接する前記流路
溝間で前記流体の流通を可能にするための連通路が設け
られることを特徴とする燃料電池スタック。 - 【請求項2】請求項1記載の燃料電池スタックにおい
て、前記流路溝は、ガス出口側の溝本数がガス入口側の
溝本数よりも減少するように設定されることを特徴とす
る燃料電池スタック。
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