JP2005093244A - Fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池に関する。特に、固体高分子型燃料電池における水管理機能を向上するための構成に関する。 The present invention relates to a fuel cell. In particular, the present invention relates to a configuration for improving a water management function in a polymer electrolyte fuel cell.
固体高分子型燃料電池において、発電反応を生じるためには高分子膜が水分を含有している必要がある。これは、高分子膜は含水することにより導電性が良好となるためである。水分を与えることを加湿というが、固体高分子型燃料電池においてこの加湿手段は効率的な発電を実現するために非常に重要な技術となる。 In a polymer electrolyte fuel cell, in order to generate a power generation reaction, the polymer membrane needs to contain moisture. This is because the polymer film has good conductivity when it is hydrated. Giving moisture is referred to as humidification, but this humidification means is a very important technique for realizing efficient power generation in a polymer electrolyte fuel cell.
高分子膜を加湿するために、アノードガスやカソードガスを湿潤状態に保つ方法の一つとして、ガス流路内に水溜まり部を形成するといった発明がなされている。格子状に設けられたリブ部において、カソードガス流路に水溜まり部を設けることにより、カソードガスを加湿している。(例えば、特許文献1、参照。)
しかしながら、燃料電池では、カソードで水の生成反応が生じるため、とりわけガス流路の下流においては生成水あるいは水蒸気が凝縮した凝縮水がガス流路内に溜まる。従って、上記背景技術に示したように水溜まり部を設けた場合、とりわけ下流における水溜まり部は、直ちに液水で飽和してしまうので、それ以上水を溜めることが出来なくなる。また、下流における反応ガスは相対湿度が100%となるため、それ以上、水が反応ガス中に蒸発することはなく、結果的に下流における水溜まり部はその機能を果さないといった問題があった。 However, in the fuel cell, since a water generation reaction occurs at the cathode, the condensed water obtained by condensing the generated water or water vapor accumulates in the gas flow channel particularly in the downstream of the gas flow channel. Therefore, when the water reservoir is provided as shown in the background art above, the water reservoir particularly downstream is immediately saturated with liquid water, so that no more water can be stored. In addition, since the downstream reaction gas has a relative humidity of 100%, the water does not evaporate further into the reaction gas, resulting in the problem that the downstream water reservoir does not perform its function. .
また、アノードガスは比較的流量が少なく、アノードガス流路の比較的上流側で飽和状態に到達する。これに対してカソードガスは比較的流量が多く、カソードガス流路の比較的下流側まで、高分子膜が乾燥して劣化する可能性がある。 Further, the anode gas has a relatively small flow rate, and reaches a saturated state relatively upstream of the anode gas flow path. On the other hand, the cathode gas has a relatively large flow rate, and the polymer film may be dried and deteriorated to a relatively downstream side of the cathode gas flow path.
そこで本発明は、上記の問題を鑑みて、各反応ガスに応じて適切な水マネージメントを行うことができる燃料電池を提供することを目的とする。 In view of the above problems, an object of the present invention is to provide a fuel cell capable of performing appropriate water management according to each reaction gas.
本発明は、電解質膜を狭持する一対の電極であるアノードとカソードの両側に配されたアノードガス拡散層およびカソードガス拡散層と、前記アノードガス拡散層およびカソードガス拡散層を狭持するセパレータと、を備える。また、前記セパレータのうち、前記アノードガス拡散層に接触する面にアノードガス流路を備える。さらに、前記アノードガス流路の上流領域の流路表面に水保持手段を設け、かつ、下流領域の流路表面に前記水保持手段より面積割合の大きな水排出手段を設ける。 The present invention relates to an anode gas diffusion layer and a cathode gas diffusion layer disposed on both sides of an anode and a cathode, which are a pair of electrodes that sandwich an electrolyte membrane, and a separator that sandwiches the anode gas diffusion layer and the cathode gas diffusion layer And comprising. Moreover, an anode gas flow path is provided in the surface which contacts the said anode gas diffusion layer among the said separators. Further, water holding means is provided on the surface of the upstream area of the anode gas flow path, and water discharge means having a larger area ratio than the water holding means is provided on the surface of the downstream area of the flow path.
また、電解質膜を狭持する一対の電極であるアノードとカソードの両側に配されたアノードガス拡散層およびカソードガス拡散層と、前記アノードガス拡散層およびカソードガス拡散層を狭持するセパレータと、を備える。また、前記セパレータのうち、前記カソードガス拡散層に接触する面にカソードガス流路を備える。さらに、前記カソードガス流路の下流領域の流路表面に水排出手段を設け、かつ、上流領域の流路表面に前記水排出手段より面積割合の大きな水保持手段を設ける。 Further, an anode gas diffusion layer and a cathode gas diffusion layer disposed on both sides of the anode and the cathode which are a pair of electrodes sandwiching the electrolyte membrane, a separator sandwiching the anode gas diffusion layer and the cathode gas diffusion layer, Is provided. Moreover, a cathode gas flow path is provided in the surface which contacts the said cathode gas diffusion layer among the said separators. Furthermore, a water discharge means is provided on the flow path surface in the downstream area of the cathode gas flow path, and a water holding means having a larger area ratio than the water discharge means is provided on the flow path surface in the upstream area.
アノードガス流路の上流領域の流路表面に水保持手段を設け、かつ、下流領域の流路表面に水保持手段より面積割合の大きな水排出手段を設ける。これにより、ガスの相対湿度が100%未満であるガスの上流部では水を保持したガスを加湿し易くすることができ、ガスの相対湿度が100%であるガスの下流部では、水を排出し易くなる。これに加えて、ガス流量が相対的に少なく、凝縮が生じやすいアノードガス側では水排出手段の効果を促進させるために水保持手段に対してその存在割合を増しているので、アノードガスにおいて水の排出性が良好となりガス配流の均一化が図れる。 Water holding means is provided on the flow path surface in the upstream region of the anode gas flow path, and water discharge means having a larger area ratio than the water holding means is provided on the flow path surface in the downstream region. This makes it easy to humidify the gas holding water in the upstream portion of the gas where the relative humidity of the gas is less than 100%, and discharges water in the downstream portion of the gas where the relative humidity of the gas is 100%. It becomes easy to do. In addition, on the anode gas side where the gas flow rate is relatively small and condensation is likely to occur, the existence ratio is increased with respect to the water holding means in order to promote the effect of the water discharging means. As a result, the gas distribution can be made uniform.
また、カソードガス流路の下流領域の流路表面に水排出手段を設け、かつ、上流領域の流路表面に水排出手段より面積割合の大きな水保持手段を設ける。これにより、ガスの相対湿度が100%未満のであるガスの上流部では、水を保持してガスを加湿し易くすることができ、ガスの相対湿度が100%であるガスの下流部では水を排出し易くなる。これに加えて、ガス上流付近の未飽和領域が多くなるカソードガス側では、水保持手段の効果を促進させるために、水排出手段に対してその存在割合を増しているので、カソードガスにおいても、高分子膜への加湿性が良好となり、乾燥による高分子膜および膜電極接合体の劣化抑制を図ることができる。 Further, water discharge means is provided on the flow path surface in the downstream area of the cathode gas flow path, and water holding means having a larger area ratio than the water discharge means is provided on the flow path surface in the upstream area. This makes it possible to hold the water in the upstream portion of the gas where the relative humidity of the gas is less than 100% to facilitate humidification of the gas, and to supply water in the downstream portion of the gas where the relative humidity of the gas is 100%. It becomes easy to discharge. In addition to this, on the cathode gas side where the unsaturated region near the gas upstream increases, in order to promote the effect of the water holding means, the existence ratio is increased with respect to the water discharging means. In addition, the wettability to the polymer film is improved, and the deterioration of the polymer film and the membrane electrode assembly due to drying can be suppressed.
第1の実施形態について説明する。燃料電池11の概略構成を図1に示す。ここでは複数の単位セル10を積層することにより燃料電池11を構成するが、一つの単位セル10により燃料電池11を構成してもよい。
A first embodiment will be described. A schematic configuration of the
燃料電池11を構成する単位セル10を、膜電極接合体4の両側にセパレータ8を配置することにより構成する。膜電極接合体4を、アノード側セパレータ8aとカソード側セパレータ8cとで狭持することにより単位セル10を構成する。
The
膜電極接合体4を、電解質膜1と、これを狭持する電極2(アノード2a、カソード2b)と、さらにこれを狭持するガス拡散層3(アノードガス拡散層3a、カソードガス拡散層3c)と、から構成する。後述する反応ガス流路5から、各ガス拡散層3に反応ガスが拡散され、その反応ガスを用いて電極2において電気化学反応を行うことにより起電力を生じる。
The
また、セパレータ8の膜電極接合体4に接触する面、ここではガス拡散層3に接触する面18には、溝状の反応ガス流路5を構成する。アノードガス拡散層3aに接触するアノード側セパレータ8aにはアノードガス流路5aを、カソードガス拡散層3cに接触するカソード側セパレータ8cにはカソードガス流路5cを構成する。ここでは、図2、図6に示すように、セパレータ8の積層面18内に複数の反応ガス流路5を並列に形成する。なお、この反応ガス流路5の形状については後で詳しく説明する。
Further, a groove-like reaction
また、図1には図示しないが、燃料電池11には、燃料電池11を積層方向に貫通し、各単位セル10にカソードガスを分配するカソードガス供給マニホールド12iと、各単位セル10からカソードガスを回収するカソードガス排出マニホールド12oを備える。また、同様に、燃料電池11を積層方向に貫通し、各単位セル10にアノードガスを分配するアノードガス供給マニホールド13iと、各単位セル10からアノードガスを回収するアノードガス供給マニホールド13oを備える。各マニホールド12、13は、図2、図6に示すように積層面18内に形成した貫通孔により構成される。
Although not shown in FIG. 1, the
さらに、図1に示すように、燃料電池11には、アノードガスおよびカソードガスの漏洩を防ぐために、電解質膜1とセパレータ8の間にガスケット9を備える。ガスケット9は、アノード2aを含むアノードガス拡散層3a、カソード2cを含むカソードガス拡散層3cを、それぞれ密閉する。
Further, as shown in FIG. 1, the
次に、カソード側セパレータ8cのカソードガス拡散層3cに接触する面18cの構成を、図2を用いて説明する。カソード側セパレータ8cを、緻密なカーボン材により形成する。
Next, the configuration of the
カソード側セパレータ8cの積層面18cに、複数の蛇行形状のカソードガス流路5cを並列に構成する。各カソードガス流路5cの一端はカソードガス供給マニホールド12iに連通し、もう一端はカソードガス排出マニホールド12oに連通する。積層面18c内の隣り合うカソードガス流路5間には、流路を隔てる隔壁7cが形成される。なお、ここではカソードガス流路5cを複数としているが、一つの流路で構成してもよい。また、蛇行形状としているが、直線形状や、櫛型形状としてもよい。
A plurality of meandering cathode
このように形成したカソードガス流路5cの上流領域A1に水保持手段を備える。ここでは、上流領域A1において、カソードガス流路5cを形成する溝の表面に複数の窪み20を設けることにより、水保持手段を形成する。図3に、窪み20を設けたカソードガス流路5cの上流領域A1の拡大図を示す。また、図4に、窪み20の流路軸方向の断面(図3のX1−X1断面)を示す。
A water holding means is provided in the upstream region A 1 of the cathode
各カソードガス流路5cの底面51cに窪み20を設ける。窪み20は、流路軸に沿って等間隔に構成される。窪み20を、頂点20aがカソード側セパレータ8cの内部に位置する円錐形状に構成する。つまり、窪み20の流路軸方向の断面はV字形状となる。このような窪み20を設けたカソードガス流路5cに沿ってカソードガスを流通させる。
The
運転条件の変化等により、カソードガス流路5cにはカソードガスと共にミストや凝縮水が流れ込む場合がある。このような場合には、図4に示すように、窪み20に液水が溜まり、水保持手段として使用される。さらに運転条件の変化等により、カソードガス流路5cに乾燥したカソードガスが供給されると、この窪み20に溜められた液水が蒸発することにより、カソードガスが加湿される。このように、窪み20を設けることにより、カソードガス中に混入した液水を除去できるとともに、カソードガスの乾燥、ひいては電解質膜1の乾燥を抑制することができるので、発電効率が低下するのを抑制することができる。
Due to changes in operating conditions, mist or condensed water may flow into the cathode
なお、窪み20は、カソードガス流路5cの上流領域A1に存在していればよく、上流領域A1における窪み20の仕様については、この限りではない。
The
一方、カソードガス流路5cの下流領域B1に、図5に示すような水排出手段を備える。下流領域B1のカソードガス流路5cを形成する溝の底面52cに、細溝30を設けることにより水排出手段を構成する。細溝30を、カソードガス流路5c内のガスの流通方向に平行に形成する。また、細溝30の一端が、カソードガス排出マニホールド12oに連通するように形成する。ここでは、細溝30の断面をV字形状に構成するが、この限りではない。
On the other hand, in the downstream region B 1 of the
カソードガス流路5cの下流領域B1では、カソードガスが飽和状態に到達する。カソードガスが飽和状態に到達した時点よりも下流側では、酸素の消費に伴って生成された水が液水の状態で存在したり、または、カソードガスに含まれる水が凝縮したりする。そこで、下流領域B1に細溝30を設けることで、このような液水を選択的に細溝30に回収する。細溝30内で、液水はカソードガスの流れの影響を受けて下流方向に移動し、カソードガス排出マニホールド12oから排出される。このため、下流領域B1における水詰まりを抑制することができ、カソードガス流路5cが閉塞されることにより発電効率が低下するのを抑制することができる。
In the downstream region B 1 of the
通常、カソードガスとしては空気等が用いられる。そのため、カソードガスは比較的流量が多く、流速も大きくなる。その結果、カソードガス流路5c内の上流側の広い範囲でカソードガスが乾燥した状態で存在し易くなる。また、流量が多いため、カソードガスは比較的下流側で飽和状態になるので、水詰まりが生じる可能性があるのは下流側の狭い範囲となる。そこで、カソードガス流路5cにおける、水保持手段を備えた上流領域A1の面積と、水排出手段を備えた下流領域B1の面積を比較した場合、上流領域A1の面積の方が大きくなるように構成する。つまり、全カソードガス流路5cに対して、上流領域A1と下流領域B1とがそれぞれ占める割合が、上流領域A1のほうが大きくなるように構成する。このように、カソードガス流路5cを、水保持を重視した流路に構成することで、カソードガスが乾燥状態で供給されるのを抑制することができ、カソードガスに応じた水管理を行うことができる。
Usually, air or the like is used as the cathode gas. Therefore, the cathode gas has a relatively high flow rate and a high flow rate. As a result, the cathode gas tends to exist in a dry state in a wide range on the upstream side in the cathode
次に、アノードガス流路5aの構成について説明する。アノード側セパレータ8aのアノードガス拡散層3aに接触する面18aの構成を図6に示す。アノード側セパレータ8aを緻密なカーボン材により形成する。
Next, the configuration of the
アノード側セパレータ8aのアノードガス拡散層3aに接触する面18aに、複数の蛇行形状のアノードガス流路5aを並列に構成する。アノードガス流路5aを流れるアノードガスと、カソードガス流路5cを流通するカソードガスとが、概ね平行に流れるように構成する。各アノードガス流路5aの一端はアノードガス供給マニホールド13iに連通し、もう一端はアノードガス排出マニホールド13oに連通する。積層面18a内の隣り合うアノードガス流路5a間には、流路を隔てる隔壁7aが形成される。なお、ここではアノードガス流路5aを複数としているが、一つの流路で構成してもよい。また、蛇行形状としているが、直線形状や、櫛型形状としてもよい。
A plurality of meandering anode
このように形成したアノードガス流路5aの上流領域A2に水保持手段を備える。カソードガス流路5cと同様に、アノードガス流路5aを形成する溝の底面51aに、図3、図4に示すような窪み20を設けることにより水保持手段を形成する。運転条件の変化等により、アノードガス中にミストや凝縮水が混入された場合には、この窪み20に液水を選択的に回収・貯留することができる。また、運転条件の変化等により、乾燥したアノードガスが供給された際には、この窪み20に溜められた水が蒸発し、アノードガスを加湿することができる。このように、上流側に水保持手段(20)を、下流側に水排出手段(30)を設けることで、アノードガス流路5a内に余分な液水を導入するのを抑制することができ、また、アノードガスが乾燥した状態で供給されるのを抑制することができる。
The upstream region A 2 of the thus-formed
また、アノードガス流路5aの下流領域B2に水排出手段を備える。カソードガス流路5cと同様に、溝の底面52aに図5に示すような細溝30を設けることにより水排出手段を構成する。アノードガス流路5aを流通する間にアノードガスが飽和状態となると、それより下流側では水素の消費に伴って水蒸気が凝縮して凝縮水が生じる。細溝30を設けることにより、この液水を細溝30内に選択的に回収する。回収された液水は、アノードガスの流れの影響を受けることにより細溝30内を下流に向かって移動し、アノードガス排出マニホールド13oに排出される。これにより、アノードガス流路5aの下流領域B2で液水が存在するのを抑制し、ひいてはアノードガス流路5aの水詰まりを抑制することができる。
Also comprises water discharge means downstream region B 2 in the anode
通常、アノードガスとしては水素ガス等が用いられる。そのため、アノードガスは比較的流量が小さく、流速も小さい。その結果、アノードガスは加湿され易く、乾燥状態となる可能性があるのは上流側の狭い範囲となる。また、比較的早い段階で飽和状態となるので、下流側の広い範囲で液水が生じる可能性がある。そこで、アノードガス流路5aにおいて、水保持手段を備えた上流領域A2の面積と、水排出手段を備えた下流領域B2の面積を比較した場合、下流領域B2の面積の方が大きくなるように構成する。つまり、全アノードガス流路5aに対して、上流領域A2と下流領域B2とがそれぞれ占める割合が、下流領域B2のほうが大きくなるように構成する。このように、アノードガス流路5aを、水排出を重視した流路に構成することで、水詰まりによりアノードガスが局所的に供給され難くなるのを避けることができ、アノードガスに応じた水管理を行うことができる。
Usually, hydrogen gas or the like is used as the anode gas. Therefore, the anode gas has a relatively small flow rate and a low flow rate. As a result, the anode gas is easily humidified, and it is possible to be in a dry state in a narrow range on the upstream side. Further, since the saturated state is reached at a relatively early stage, liquid water may be generated in a wide range on the downstream side. Therefore, the
次に、本実施形態の効果について説明する。 Next, the effect of this embodiment will be described.
電解質膜1を狭持する一対の電極2であるアノード2aとカソード2cの両側に配されたアノードガス拡散層3aおよびカソードガス拡散層3cと、アノードガス拡散層3aおよびカソードガス拡散層3cを狭持するセパレータ8と、を備える。また、セパレータ8のうち、アノードガス拡散層3aに接触する面18aにアノードガス流路5aを備える。さらに、アノードガス流路5の上流領域A2の流路表面に水保持手段(20)を設け、かつ、下流領域B2の流路表面に水保持手段(20)より面積割合の大きな水排出手段(30)を設けた。これにより、反応ガスの相対湿度が100%未満であるガスの上流領域A2では水を保持したガスを加湿し易くすることができ、ガスの相対湿度が100%であるガスの下流領域B2では、水を排出し易くなる。これに加えて、ガス流量が相対的に少なく、凝縮が生じやすいアノードガス側では水排出手段の効果を促進させるために水保持手段に対してその存在割合を増しているため、アノードガスにおいても水の排出性が良好となり、水詰まりを抑制してガス配流の均一化を図ることができる。
The anode
電解質膜1を狭持する一対の電極2であるアノード2aとカソード2cの両側に配されたアノードガス拡散層3aおよびカソードガス拡散層3cと、アノードガス拡散層3aおよびカソードガス拡散層3cを狭持するセパレータ8と、を備える。また、セパレータ8のうち、カソードガス拡散層3cに接触する面18cにカソードガス流路5cを備え、さらに、カソードガス流路5cの下流領域B1の流路表面に水排出手段(30)を設け、かつ、上流領域A1の流路表面に水排出手段(30)より面積割合の大きな水保持手段20を設けた。これにより、ガスの相対湿度が100%未満のであるガスの上流領域A1では、水を保持してガスを加湿し易くすることができ、ガスの相対湿度が100%であるガスの下流領域B1では水を排出し易くすることができる。これに加えて、ガス上流付近の未飽和領域が多くなるカソードガス側では、水保持手段(20)の効果を促進させるために、水排出手段(30)に対してその存在割合を増している。そのため、カソードガスにおいて、電解質膜1への加湿性が良好となり、乾燥による電解質膜1および膜電極接合体4の劣化抑制を図ることができる。
The anode
水保持手段を、流路底部51に備えた多数の窪み20により構成する。これにより、窪み20に接触して流通する反応ガス中のミストや凝縮水を窪み20に保持することができる。これにより、乾燥した状態で供給された反応ガスを加湿することができるので、加湿不足による発電効率の低下を抑制することができる。
The water holding means is constituted by a large number of
また、水排出手段を、流路底部52に設けた細溝30により構成する。これにより、下流領域B1、B2で生じた液水が、反応ガスの流れの影響により細溝30内を下流側に移動するので、液水を排出され易くすることができ、反応ガス流路5内の水詰まりを抑制することができる。
Further, the water discharge means is constituted by the
次に、第2の実施形態について説明する。図7に燃料電池11の構成を示す。ここでは複数の単位セル10を積層することにより燃料電池11を構成するが、単一の単位セル10により燃料電池11を構成してもよい。以下、第1の実施形態と異なる部分を中心に説明する。
Next, a second embodiment will be described. FIG. 7 shows the configuration of the
膜電極接合体4に隣接して配置されるアノード側セパレータ8aを、緻密なカーボン材により構成し、第1の実施形態と同様にアノードガス流路5aを形成する。一方、カソード側セパレータ8cをカーボン系のポーラス材により形成する。カソード側セパレータ8cの膜電極接合体4に接触する面18cには、第1の実施形態と同様に、カソードガス流路5cを設け、これと反対側の面19cには溝状の冷却水流路6を形成する。
The
また、カソード側セパレータ8cの冷却水流路6を形成した面19cに隣接して、緻密材より形成された冷却水路形成部材15を配置する。冷却水流路6には純水を流通し、発電に伴って生じる熱を除去可能とすると同時に、ポーラス材により構成されたカソード側セパレータ8cを介して、カソードガス流路5cを流通するカソードガスを加湿可能とする。
A cooling water
カソード側セパレータ8cの平面18cの構成図を第1の実施形態と同様に図2に示す。上流領域A1には水保持手段である窪み20を、下流領域B1には水排出手段である細溝30を備える。
A configuration diagram of the
次に、上述のような燃料電池11におけるカソードガス流路5cの水の状態を説明する。カソード側セパレータ8cの上流領域A1に設けた窪み20の断面を図8に示す。
Next, the state of water in the
カソード側セパレータ8cをポーラス材により構成しているため、冷却水流路6を流通する純水がカソード側セパレータ8c内に含まれる。ポーラス材の気孔径は適度な大きさの範囲に収まっており、使用ガス圧力、使用純水圧力の範囲内ではポーラス材の気孔の中にカソードガスは入り込まない。
Since the
上流領域A1には、カソードガス流路5cの底面51cに複数の窪み20が流路軸に沿って等間隔に設けられる。カソード側セパレータ8cに設けた窪み20の表面には、その裏面に流れる冷却水流路6内の純水の一部が、ポーラス材の内部を通って移動し、貯留される。移動の駆動力は、V字形状断面の窪み20で生じる毛細管力である。つまり、カソード側セパレータ8cをポーラスにすることにより、常に窪み20の表面に純水が溜まるので、運転条件の変化に伴い混入されるミストや凝縮水以外にも、常に窪み20に水を保持することができる。
In the upstream region A 1 , a plurality of
このように、通常、比較的流量の大きいカソードガスを、カソードガス流路5cの上流領域A1で確実に加湿できるようにしたので、安定して湿潤したカソードガスを供給することができ、電解質膜1の乾燥を防ぐことができる。
As described above, normally, the cathode gas having a relatively large flow rate can be reliably humidified in the upstream region A 1 of the cathode
また、ポーラス材により構成することで、カソードガス流路5cを構成する溝表面に付着した液水を、カソード側セパレータ8c内に回収することができるので、水詰まりが生じるのを抑制することができる。
Moreover, since the liquid water adhering to the surface of the groove constituting the cathode
なお、アノード側セパレータ8aをポーラス材により形成してもよい。この場合には、アノード側セパレータ8aのアノードガス流路5aを形成した面18aの裏面19aに冷却水流路6が接触するように構成する。
The
次に、本実施形態の効果について説明する。ここでは、第1の実施形態とは異なる効果のみを説明する。 Next, the effect of this embodiment will be described. Here, only effects different from those of the first embodiment will be described.
セパレータ8をポーラス材により構成する。ここでは、カソード側セパレータ8cをポーラス材により構成する。これにより、セパレータ8(c)内に水を保持することができるので、水保持手段(20)には常時セパレータ8(c)内部から水を補うことができるようになる。また、水排出手段として、セパレータ8(c)内部に水を回収することが可能となる。
The separator 8 is made of a porous material. Here, the cathode-
次に、第3の実施形態について説明する。以下、第1の実施形態と異なる部分を中心に説明する。 Next, a third embodiment will be described. Hereinafter, a description will be given centering on differences from the first embodiment.
カソード側セパレータ8cを、第1の実施形態と同様に、緻密なカーボン材により形成する。また、図2に示すように、カソードガス流路5cの上流領域A1には水保持手段である窪み21を、下流領域B1には水排出手段である細溝30を形成する。
The
図9に、カソードガス流路5cの上流領域A1の拡大図を示す。複数の窪み21を流路軸に沿って等間隔に構成する。ただし、窪み21の形状を概略斜円錐形状とする。窪み21の軸を下流側に傾けて形成する。つまり、斜円錐形状の頂点21aが下流側に傾くように窪み21を形成する。このように窪み21を形成すると、窪み21への水の貯留状態は図10のようになる。図10に、窪み21の流路軸に沿ったX3−X3断面を示す。
FIG. 9 shows an enlarged view of the upstream region A 1 of the cathode
窪み21の断面は、頂点21aがカソードガス流路5cの下流側に偏った三角形状に形成される。これにより、窪み21に溜まった水がカソードガスの流れと共に排出されるのを抑制することができる。
The cross section of the
なお、ここには図示しないが、アノード側セパレータ8aのアノードガス流路5aの上流領域A2に設ける水保持手段についても、カソードガス流路5aに設けた水保持手段と同様に、斜円錐形状の窪み21としてもよい。また、セパレータ8を緻密材により構成したが、第2の実施形態と同様にポーラス材により構成してもよい。
Although not shown here, for the water retention means provided in the upstream region A 2 of the
次に、本実施形態の効果について説明する。以下、第1の実施形態とは異なる効果のみを説明する。 Next, the effect of this embodiment will be described. Only the effects different from those of the first embodiment will be described below.
窪み21を、頂点21aがガスの流れの下流側に傾いた斜円錐形状に形成する。このように、窪み21の断面形状を斜円錐状とすることにより、反応ガスの流れにより水を運ばれ難くなるので、水を保持し易くなる。
The
次に、第4の実施形態について説明する。以下、第2の実施形態と異なる部分を中心に説明する。 Next, a fourth embodiment will be described. Hereinafter, a description will be given centering on differences from the second embodiment.
カソード側セパレータ8cをカーボン系のポーラス材により形成する。図11に、カソード側セパレータ8cの平面18cの構成図を示す。ここでは、カソードガス流路5cの上流領域A1に、水保持手段として、窪み20の替わりに線分形状に区切られた細溝22を形成する。
The
カソードガス流路5cの上流領域A1の拡大図を図12に示す。
An enlarged view of the upstream region A 1 of the
各カソードガス流路5cの底面51cに、線分状に区切られた複数の細溝22を等間隔に形成する。また、細溝22の流路軸に垂直な方向の断面形状をV字形状とする。細溝22の流路軸に沿った方向のX4−X4断面を図13に示す。細溝22の流路軸に沿った断面形状は、カソードガス流路5c内部に向かって開口するコの字形状となる。細溝22の表面には、裏面に形成された冷却水流路6内を流通する水がカソード側セパレータ8cを透過して、貯留される。このように線分形状の細溝22を水保持手段とすることで、図13に示すように、細溝22の端部22aで水が保持され易くなるので、カソードガスの流れによって細溝22に溜まった水が排出され難くなる。
A plurality of
次に、本実施形態の効果について説明する。以下、第2の実施形態とは異なる効果のみを説明する。 Next, the effect of this embodiment will be described. Hereinafter, only effects different from those of the second embodiment will be described.
水保持手段を、反応ガス流路5の底部51に設けた複数の線分状の細溝22により構成する。これにより、線分状に区切られた細溝22に水が凝縮して保持されることが容易となる。ここでは特に、カソードガス流路5cの上流領域A1に設ける水保持手段として細溝22を設ける。カソードガスは流量が大きいため、水保持手段に貯留された水が、ガスの流れの影響で排出され易いが、細溝22を用いることで、水が保持される機能を向上することができる。
The water holding means is constituted by a plurality of line-shaped
なお、ここではカソード側セパレータ8cをポーラス材としたが、第1の実施形態と同様に緻密材により構成したセパレータに対して線分状の細溝22を設けても良い。また、アノードガス流路5aの上流領域A2に構成する水保持手段に細溝22を適用してもよい。
Here, the
このように、本発明は、上記発明を実施するための最良の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術思想の範囲内で様々な変更が為し得ることは言うまでもない。 Thus, the present invention is not limited to the best mode for carrying out the invention, and it goes without saying that various modifications can be made within the scope of the technical idea described in the claims. .
本発明は、燃料電池、特に水マネージメントが必要となる固体高分子型燃料電池等に適用することができる。 The present invention can be applied to a fuel cell, particularly a polymer electrolyte fuel cell that requires water management.
1 電解質膜
2 電極
2a アノード
2c カソード
3 ガス拡散層
3a アノードガス拡散層
3c カソードガス拡散層
5 反応ガス流路
5a アノードガス流路
5b カソードガス流路
6 冷却水流路
8 セパレータ
11 燃料電池
20 窪み
21 窪み
21a頂点
22 細溝
30 細溝
DESCRIPTION OF
Claims (7)
前記アノードガス拡散層およびカソードガス拡散層を狭持するセパレータと、を備え、
前記セパレータのうち、前記アノードガス拡散層に接触する面にアノードガス流路を備え、
さらに、前記アノードガス流路の上流側の流路表面に水保持手段を設け、かつ、下流側の流路表面に前記水保持手段の配置領域より大きな面積割合の水排出手段を設けたことを特徴とする燃料電池。 An anode gas diffusion layer and a cathode gas diffusion layer disposed on both sides of the anode and the cathode as a pair of electrodes sandwiching the electrolyte membrane;
A separator sandwiching the anode gas diffusion layer and the cathode gas diffusion layer, and
Of the separator, provided with an anode gas flow path on the surface in contact with the anode gas diffusion layer,
Further, water holding means is provided on the upstream flow path surface of the anode gas flow path, and water discharge means having a larger area ratio than the arrangement area of the water holding means is provided on the downstream flow path surface. A fuel cell.
前記アノードガス拡散層およびカソードガス拡散層を狭持するセパレータと、を備え、
前記セパレータのうち、前記カソードガス拡散層に接触する面にカソードガス流路を備え、
さらに、前記カソードガス流路の下流側の流路表面に水排出手段を設け、かつ、上流側の流路表面に前記水排出手段の配置領域より大きな面積割合の水保持手段を設けたことを特徴とする燃料電池。 An anode gas diffusion layer and a cathode gas diffusion layer disposed on both sides of the anode and the cathode as a pair of electrodes sandwiching the electrolyte membrane;
A separator sandwiching the anode gas diffusion layer and the cathode gas diffusion layer, and
A cathode gas flow path is provided on a surface of the separator that contacts the cathode gas diffusion layer,
Further, water discharge means is provided on the downstream surface of the cathode gas flow path, and water holding means having a larger area ratio than the area where the water discharge means is provided on the upstream flow path surface. A fuel cell.
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