JP2005116179A - Fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池に関する。特に、燃料電池内の水マネージメントが必要となる固体高分子型燃料電池に関する。 The present invention relates to a fuel cell. In particular, the present invention relates to a polymer electrolyte fuel cell that requires water management in the fuel cell.
従来の燃料電池として、以下のように、ガス流路の水詰まりを抑制するための構成を備えたものが知られている。 As a conventional fuel cell, one having a configuration for suppressing clogging of a gas flow path as described below is known.
固体高分子電解質膜を挟持する燃料極と酸化剤極の両外面に、反応ガス流通溝を備えたセパレータを、反応ガス流通溝が燃料極または酸化剤極に面するように配置し、ガスシール層で気密に保持して構成する。セパレータの内表面の少なくとも一部には、例えば(ポリ)アミノ酸またはタンパク質からなる親水性塗膜を備え、セパレータに冷却水流通溝を設けて燃料電池を構成する(例えば、特許文献1、参照。)。
しかしながら、上記背景技術に記載したような燃料電池においては、ガス流路内の閉塞は防止できるが、ガス拡散電極内の水が排水され難い。そのため、ガス拡散電極内でフラッディングが生じて反応ガスの拡散性が低下し、発電効率が低下するという問題があった。 However, in the fuel cell as described in the above background art, blockage in the gas flow path can be prevented, but water in the gas diffusion electrode is hardly drained. For this reason, flooding occurs in the gas diffusion electrode, resulting in a problem that the diffusibility of the reaction gas is lowered and the power generation efficiency is lowered.
そこで本発明は、上記の問題を鑑みて、反応ガス流路に加えてガス拡散電極内の排水機能を向上する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 that can improve the drainage function in the gas diffusion electrode in addition to the reaction gas flow path.
本発明は、電解質膜の両側に配置されたガス拡散電極と、前記ガス拡散電極に隣接して配置され、その接触面に、前記ガス拡散電極に接触するリブと、前記リブ間に形成された溝形状の反応ガス流路と、を有するセパレータと、を備える。前記リブの前記ガス拡散電極に接触する面の一部と、前記反応ガス流路を形成する溝表面の一部に、連通して親水処理を施すことにより親水部を形成する。 The present invention includes a gas diffusion electrode disposed on both sides of an electrolyte membrane, a gas diffusion electrode disposed adjacent to the gas diffusion electrode, a rib contacting the gas diffusion electrode on a contact surface thereof, and formed between the ribs. A separator having a groove-shaped reaction gas flow path. A hydrophilic portion is formed by performing a hydrophilic treatment in communication with a part of the surface of the rib contacting the gas diffusion electrode and a part of the groove surface forming the reaction gas flow path.
リブのガス拡散電極に接触する面の一部と、反応ガス流路を形成する溝表面の一部に、連通して親水処理を施すことにより親水部を形成する。これにより、ガス拡散電極に接触する面の一部で吸収した水が、親水部内を通って溝表面に移動し、反応ガス流路内を流通する反応ガスに蒸発または運搬されることにより除去することが可能となる。その結果、ガス拡散電極の排水機能を向上することができ、反応ガスの拡散性の低下を抑制することができる。 A hydrophilic portion is formed by performing a hydrophilic treatment in communication with a part of the surface of the rib contacting the gas diffusion electrode and a part of the groove surface forming the reaction gas flow path. As a result, the water absorbed by a part of the surface in contact with the gas diffusion electrode moves to the groove surface through the hydrophilic portion, and is removed by evaporating or transporting to the reaction gas flowing in the reaction gas channel. It becomes possible. As a result, the drainage function of the gas diffusion electrode can be improved, and the decrease in the diffusibility of the reaction gas can be suppressed.
第1の実施形態について説明する。燃料電池を構成する単位セルの概略構成を図1に示す。燃料電池は、複数の単位セルを積層することにより形成したスタックを用いて構成する。または、一つの単位セルを用いて構成しても良い。 A first embodiment will be described. A schematic configuration of a unit cell constituting the fuel cell is shown in FIG. A fuel cell is configured using a stack formed by stacking a plurality of unit cells. Or you may comprise using one unit cell.
図示しない触媒層を有する電解質膜1を一対のガス拡散電極2に狭持し、さらに二つのセパレータ4で狭持する。なお、触媒層は、ガス拡散電極2の電解質膜1に接触する面に形成してもよい。または、電解質膜1、触媒層、ガス拡散層2を独立して形成し、組みたで時に一体化してもよい。セパレータ4を反応ガスおよび水の透過性を有さない緻密材により形成する。また、セパレータ4の外周に沿って、セパレータ4に挟まれた空間を閉塞するシール材3を備える。シール材3により、ガス漏れと短絡を防止する。
An electrolyte membrane 1 having a catalyst layer (not shown) is sandwiched between a pair of
セパレータ4のガス拡散電極2に接触する面4aに、燃料ガスもしくは酸化剤ガスを流通する複数の溝状のガス流路5を形成する。溝状のガス流路5を、ガス拡散電極2に平行な溝底面11、ガス拡散電極2に垂直な溝側面12a、12bから形成された溝表面17と、ガス拡散電極2の表面と、に囲まれた空間により形成する。また、隣り合うガス流路5間には、ガス流路5同士を仕切るリブ6が形成される。ここでは、リブ6を、ガス拡散電極2に接触する接触面16と、溝側面12a、12bとに囲まれた凸領域により形成する。リブ6は、機械的強度を保つための機能と、集電機能を担う。
A plurality of groove-like
次に、このような単位セルに用いるセパレータ4の拡大図を図2に示す。
Next, an enlarged view of the
セパレータ4のガス拡散電極2に対峙する面4aの一部に親水処理を施す。ここでは、接触面16の一部とそれに隣接する各溝側面12に、連通して親水処理を施すことにより、略L字形状の親水部21を形成する。図2に示すように、溝側面12全体と接触面16の一部に形成した親水部21xは、リブ6を介して隣接する親水部21yとは連通せず、接触面16の一部で不連続とする。つまり、溝側面12は親水部21aとなり、溝底面11は非親水部22、接触面16は、ガス流路5に垂直な断面において端部が親水部21b、中央部が非親水部22となる。
A hydrophilic treatment is applied to a part of the
このように形成することで、セパレータ4とガス拡散電極2との接触面16の一部は親水処理が施され、一部は親水処理が施されていない状態となる。また、ガス流路5の溝表面17についても、一部に親水処理が施され(溝側面12)、一部は親水処理が施されていない(溝底面11)状態となる。
By forming in this way, a part of the
本実施形態の別の例として、図3に、断面が曲面形状のガス流路5を有するセパレータ4を示す。
As another example of this embodiment, FIG. 3 shows a
接触面16の一部からガス流路5を形成する溝表面17の一部まで連通する親水部21を形成する。例えば、ガス流路5を形成する溝表面17のうち、ガス拡散電極2に対して垂直に近い角(45°〜90°)を為す面を溝側面12とし、ガス拡散電極2に対して平行に近い角(0°〜45°)を為す面を溝底面11とする。溝側面12、接触面16の一部に、略L字形状の親水部21を形成する。これにより、接触面16の一部は親水部21bに、一部は非親水部22に形成される。また、溝表面17の一部は親水部21aに、一部は非親水部22に形成される。
A
なお、親水部21は、ガス流路4の流路軸に垂直な断面において、リブ6の両端に略対称的に形成されるのが好ましい。
The
次に、セパレータ4に上述したような親水部21を形成した場合の水の状態について説明する。
Next, the state of water when the
電気化学反応により生成され、ガス拡散電極2内に溜まった水が、接触面16に形成した親水部21bに吸水される。親水部21bに吸収された水は、水の濃度差によって溝側面12に形成した親水部21aに拡散し、溝側面12に水の膜が形成される。ガス流路5内を反応ガスが流通することにより、溝側面12の表面に形成された膜状の水が蒸発し、または、小さな水滴として反応ガスと共に燃料電池外に排出される。これにより、ガス拡散電極2に貯留される水を除去することができるので、ガス拡散電極2のガス拡散性を維持して燃料電池の性能、安定性を向上することができる。
Water generated by the electrochemical reaction and accumulated in 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の両側に配置されたガス拡散電極2と、ガス拡散電極2に隣接して配置され、その接触面4aに、ガス拡散電極2に接触するリブ6と、リブ6間に形成された溝形状のガス流路5を有するセパレータ4と、を備える。リブ6のガス拡散電極2に接触する面16の一部(親水部21b)と、ガス流路5を形成する溝表面17の一部(親水部21a)に、連通して親水処理を施すことにより親水部21を形成する。
A
これにより、ガス拡散電極2に存在する水をガス流路5側に移動させ易くし、ガス流路5内を流通する反応ガスと共に、液水のまま、もしくは、蒸発させてセル外部に排出することができるので、ガス拡散電極2の排水機能を向上することができる。その結果、ガス拡散電極2におけるフラッディング等による性能低下を抑制し、燃料電池の耐久性・信頼性を確保することができる。また、リブ6の一部のみを親水部21bとすることで、リブ6と拡散電極2の間の存在する水が、リブに隣接する両ガス通路から同時にドライビングフォースを受け、逆に移動しにくくなる状態を避けつつ、より隣接するガス流路5のうちのどちらかへ水を導き易くすると共に、ガス拡散電極2とセパレータ4との間の、親水処理による接触電気抵抗の増加を抑制することができる。さらに、ガス流路5の上流領域においては、ガス拡散電極2で吸収した水を、ガス流路5に移動させて、反応ガス中に蒸発させることにより、反応ガスの加湿を行うことができる。
This facilitates the movement of the water present in the
また、溝表面17の一部のみに親水処理を施して親水部21aとするので、処理面積を低減することができるとともに、比較的狭い領域に液水を集中させるので、溝表面17の一部に水の膜を形成しやすく、反応ガスによりガス流路5から除去され易くすることができる。
In addition, since only a part of the
次に、第2の実施形態について説明する。ガス流路5の斜視拡大図を図4に示す。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. A perspective enlarged view of the
接触面16の一部と溝側面12とに連通して親水部21を形成する。反応ガスの流通方向について、溝側面12に形成した親水部21aの面積割合が変化するように形成する。ここでは、生成される液水量に基づく水詰まりの生じ易さに応じて、溝側面12に形成する親水部21aの面積割合を変化させる。ガス流路5の入口5i側で、それぞれの溝側面12に形成した親水部21aの面積を最も小さく、ガス流路5の出口5o側に向かうに従って大きくなるように形成する。ここでは親水部21aの面積割合を段階的に変化させたが、連続して変化させても良い。親水部21の一部は、接触面16に連通しているため、溝側面12に形成した親水部21aの溝底部11までの距離hを変化させることにより面積を変化させる。
A
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.
溝表面17のうち溝側面12に親水処理を施し、かつ、溝表面17の親水処理を施す面積割合を、ガス流路5の流路軸方向について変化させる。これにより、水詰まりの生じ易さに応じて排水機能を設定することができる。
Of the
ここでは、親水処理を施す面積割合を、生成される液水量に基づく水詰まりの生じ易さに応じて変化させる。供給される反応ガスの湿度がほぼ100%の場合には、反応に伴って生じる水は液水の状態で存在する。そこで、溝側面12に形成した親水部21aの面積を、ガスの流通方向下流側に向かって増大させる。これにより、ガス流路5内の下流側に向かうに従って、吸水性および水保持性が向上する。その結果、液水として存在する水量が多く、比較的水詰まりの生じ易い下流側で、排水機能を向上することができるので、フラッディングを抑制することができる。
Here, the area ratio to which the hydrophilic treatment is performed is changed according to the ease of water clogging based on the amount of liquid water generated. When the humidity of the reaction gas supplied is approximately 100%, the water generated during the reaction exists in the form of liquid water. Therefore, the area of the
ここでは、面積割合を段階的に変化させる。これにより、親水処理を比較的簡単に施すことができる。なお、面積割合を連続的に変化させてもよい。この場合には、親水部21の面積を存在する液水量に応じて正確に設定することができる。
Here, the area ratio is changed stepwise. Thereby, a hydrophilic process can be performed comparatively easily. In addition, you may change an area ratio continuously. In this case, the area of the
また、ガス流路5の上流側から下流側に連通して親水部21を形成する。これにより、ガス流路5の流路軸方向全体で、親水部21内を水の移動が可能となるので、排水機能と液水の存在量のバランスが崩れた場合にも、水詰まりを生じることなく排水を行うことができる。
Further, the
次に、第3の実施形態について説明する。ガス流路5の斜視拡大図を図5に示す。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. A perspective enlarged view of the
接触面16の一部と溝側面12とに連通して親水部21を形成する。反応ガスの流通方向について、溝側面12に形成した親水部21aの面積割合が変化するように形成する。ここでは、発電領域の発電割合に応じて、溝側面12に形成する親水部21aの面積割合を設定する。発電割合の大きな領域では多くの水を必要とするため、親水部21aの面積割合を大きくして含有できる水分量を増大する。ガス流路5の入口5i側で、溝側面12に形成した親水部21aの面積を最も大きく、ガス流路5の出口5o側に向かうに従って小さくなるように構成する。ここでは親水部21aの面積を段階的に変化させたが、連続的に変化させてもよい。親水部21の一部は、接触面16に連通しているため、溝側面12に形成した親水部21aの溝底部11までの距離hを変化させることにより面積を変更する。
A
次に、本実施形態の効果について説明する。以下、第1または第2の実施形態と異なる効果を中心に説明する。 Next, the effect of this embodiment will be described. Hereinafter, the effects different from those of the first or second embodiment will be mainly described.
溝表面17のうち溝側面12に親水処理を施し、かつ、親水処理を施す面積割合を、ガス流路5の流路軸方向について変化させる。これにより、水詰まりの生じ易さに応じて排水機能を設定することができる。
Of the
ここでは、親水処理を施す面積割合を、発電領域の発電割合に応じて変化させる。発電が多く行われる上流領域では、多くの水が必要となる。また、反応ガスが比較的乾燥している上流領域では、反応ガスから発電に用いる水を十分に供給するのが難しい。そこで、溝側面12に形成した親水部21aの面積を、ガスの流通方向上流側に向かって増大させる。これにより、ガス流路5内の上流側に向かうに従って、吸水性および水保持性が向上する。その結果、液水として存在する水量が多く、比較的水詰まりの生じ易い下流側で吸収した水を上流側に移動させて、反応ガスの加湿に用いることができる。その結果、反応ガスの乾燥による発電効率の低下を抑制することができ、効率がよく、安定した発電を行うことができる。
Here, the area ratio to which the hydrophilic treatment is performed is changed according to the power generation ratio of the power generation region. A lot of water is needed in the upstream region where power generation is often performed. In the upstream region where the reaction gas is relatively dry, it is difficult to sufficiently supply water used for power generation from the reaction gas. Therefore, the area of the
ここでは、面積割合を段階的に変化させる。これにより、親水処理を比較的簡単に施すことができる。なお、面積割合を連続的に変化させてもよい。この場合には、親水部21の面積を発電に必要とされる水量に応じて正確に設定することができる。
Here, the area ratio is changed stepwise. Thereby, a hydrophilic process can be performed comparatively easily. In addition, you may change an area ratio continuously. In this case, the area of the
次に、第4の実施形態について説明する。ガス流路5の斜視拡大図を図6に示す。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 fourth embodiment will be described. A perspective enlarged view of the
接触面16の一部と溝側面12とに連通して親水部21を形成する。反応ガスの流通方向について、溝側面12に形成した親水部21aの面積が変化するように形成する。ここでは、接触面16の一部から溝側面12に連通して形成される親水部21を、反応ガスの流通方向について断続的に形成する。例えば、図6に示すように、ガス流路5内のガス流通方向について、親水部21を等間隔に形成し、その間を非親水部22とする。
A
次に、本実施形態の効果について説明する。以下、第1〜3の実施形態の効果とは異なる効果を中心に説明する。 Next, the effect of this embodiment will be described. Hereinafter, an effect different from the effects of the first to third embodiments will be mainly described.
溝表面17のうち溝側面12に親水処理を施し、かつ、親水処理を施す面積割合を、ガス流路5の流路軸方向について変化させる。これにより、水詰まりの生じ易さに応じて排水機能を設定することができる。
Of the
ここでは、親水部21をガス流路5の流路軸方向について断続的に形成する。親水部21と非親水部22との境界面では、親水部21aに形成された水の膜が水滴に変化し易くなり、ひいては、反応ガスと共に燃料電池から排出され易くなる。特に、親水部21と非親水部22との境界のうち、親水部21の下流側に位置する境界24において、親水部21に含有される水が反応ガスとともに排出され易くなる。その結果、排水機能を向上することができ、水詰まりを維持してガス拡散性を維持することができる。
Here, the
なお、図6においては、親水部21を三つとしたがこの限りではなく、親水部21の水保持機能と過剰な水分の排水機能のバランスがとれるように形成すればよい。また、各親水部21は、同面積とは限らない。例えば反応ガスの湿度が比較的低くなりやすい上流領域では面積を大きくすることにより、水保持機能を向上させることができる。また、液水として存在する水量が比較的多くなりやすい下流領域では、それぞれの親水部21の面積および間隔を小さくして、親水部21と非親水部22との境界を多く形成することにより、排水機能を向上させることができる。
In FIG. 6, the number of the
次に、第5の実施形態について説明する。セパレータ4の斜視概略図を図7に示す。以下、第4の実施形態と異なる部分を中心に説明する。
Next, a fifth embodiment will be described. A schematic perspective view of the
溝底面11の一部に親水部21cを形成する。ここでは、少なくとも第4実施形態における溝側面22の非親水部22と、流路軸方向に重なる領域より大きな領域に親水部21を形成する。つまり、親水部21cは、流路軸方向についての長さが、溝側面12に形成した流路軸方向について隣り合う親水部21a間の距離より大きく、かつ、その隣り合う親水部21aの間に配置される。このように親水部21を形成することで、第4実施形態においては、流路軸方向に断続的に形成された親水部21aが、親水部21cを介して連通して形成される。
A
次に、本実施形態の効果について説明する。以下、第1〜4の実施形態とは異なる効果を中心に説明する。 Next, the effect of this embodiment will be described. Hereinafter, the effects different from the first to fourth embodiments will be mainly described.
親水部21を、ガス流路5の流路軸方向について連通して形成する。このように形成することで、ガス流路5の入口5iから出口5oにかけて、連続した親水部21を形成することができる。そのため、親水部21に吸収された水の流路軸方向の移動を促進することができ、流路軸方向について局所的に反応ガスが乾燥したり、フラッディングが生じるのを抑制することができる。
The
次に、第6の実施形態について説明する。セパレータ4の、ガス拡散電極2に接触する面4aの平面図を図8に示す。
Next, a sixth embodiment will be described. A plan view of the
セパレータ4に、複数の並列に形成された蛇行形状のガス流路5を形成する。隣り合うガス流路5間には、流路を仕切るリブ6が形成される。ガス流路5の一端は、燃料電池を積層方向に貫通する供給側マニホールド7に連通し、もう一端は、同じく燃料電池を積層方向に貫通する排出側マニホールド8に連通する。
A plurality of serpentine
外部から燃料電池に供給された反応ガスは、供給側マニホールド7から積層された各単位セルのガス流路5に分配される。反応ガスがガス流路5内を流通する際に、その一部がガス拡散電極2に拡散し反応に用いられる。反応後の反応ガスは、燃料電池を積層方向に貫通した排出側マニホールド8に回収され、燃料電池の外部に排出される。
The reaction gas supplied to the fuel cell from the outside is distributed from the
このようなセパレータ4において、ガス流路5の下流側領域Aに親水部21を形成する。ここでは、蛇行形状の最下流の段のみに親水部21を形成する。図8に示すように、ガス流路5を三段階の蛇行形状に形成し、三段目のみに親水部21を形成する。親水部21の形状としては、第1〜5の実施形態に示した何れを用いても良い。
In such a
次に、本実施形態の効果について説明する。以下、第1〜5の実施形態の効果とは異なる効果を中心に説明する。 Next, the effect of this embodiment will be described. Hereinafter, the effects different from the effects of the first to fifth embodiments will be mainly described.
親水部21を、ガス流路5全体のうち、下流側領域Aのみに形成する。このように、フラッディングが生じる可能性の高い下流側領域Aのみに親水部21を形成することで、処理を施す領域を低減することができるので、処理コストを抑え、効率のよい排水機能を形成することができる。
The
次に、第7の実施形態について説明する。セパレータ4のガス拡散電極2に接触する面4aの平面図を図9に示す。以下、第6の実施形態と異なる部分を中心に説明する。
Next, a seventh embodiment will be described. A plan view of the
第6の実施形態と同様に、セパレータ4に蛇行形状のガス流路5を形成する。ただし、ガス流路5の折り返し部分に、燃料電池を積層方向に貫通する中間マニホールド9を形成する。ここでは、ガス流路5を三段の蛇行形状に形成しているので、一段目から二段目に折り返す折り返し部分に中間マニホールド9a、二段目から三段目に折り返す折り返し部分に中間マニホールド9bを形成する。
Similar to the sixth embodiment, a meandering
このようなセパレータ4において、第6の実施形態と同様に、ガス流路5の下流側領域Aに親水部21を形成する。ここでは、蛇行形状の最下流の段である三段目のみに親水部21を形成する。親水部21の形状としては、第1〜5の実施形態に示した何れを用いても良い。このように構成することで、第6の実施形態と同様の効果を得ることができる。
In such a
次に、第8の実施形態について説明する。セパレータ4のガス拡散電極2に接触する面4aの平面図を図10に示す。
Next, an eighth embodiment will be described. A plan view of the
セパレータ4に、直線形状の複数のガス流路5を平行に設ける。隣り合うガス流路5間には、流路を仕切るリブ6が形成される。各ガス流路5の一端は、供給側マニホールド7に並列に接続され、もう一端は、排出側マニホールド8に並列に接続される。
A plurality of linear
燃料電池に外部から供給された反応ガスは、燃料電池を積層方向に貫通して形成された供給側マニホールド7から、各単位セルのガス流路5に分配される。反応ガスがガス流路5内を流通する際に、その一部がガス拡散電極2に拡散して反応に用いられる。反応後の反応ガスは、燃料電池を積層方向に貫通した排出側マニホールド8に回収され、燃料電池の外部に排出される。
The reaction gas supplied from the outside to the fuel cell is distributed to the
このように形成したセパレータ4において、直線形状のガス流路5の下流側領域Bのみに親水部21を設ける。親水部21の形状としては、第1〜5の実施形態に示した何れを用いても良い。
In the
このように構成することで、第6の実施形態と同様に、フラッディングを抑制しつつ処理を施す領域を低減することができるので、処理コストを抑え、効率のよい排水機能を形成することができる。 By configuring in this way, similarly to the sixth embodiment, it is possible to reduce the area to be processed while suppressing flooding, so that the processing cost can be reduced and an efficient drainage function can be formed. .
次に、第9の実施形態について説明する。セパレータ4の、ガス流路5の流路軸に垂直な方向の断面を図11に示す。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 ninth embodiment will be described. A cross section of the
第1の実施形態と同様に、溝側面12と接触部16にL字形状の親水部21を形成する。これに加えて、溝表面17のうち非親水部22であった領域に撥水処理を施して撥水部23を形成する。ここでは、溝底面11に撥水処理を施して、撥水部23を形成する。そのため、溝側面12と溝底面11により形成される角部10が、親水部22と撥水部23の境界となる。流路軸に垂直な断面において、溝表面17には、親水部21aと撥水部23が形成される。
Similarly to the first embodiment, an L-shaped
本実施形態は、溝表面17のうち親水処理が施されていない領域(非親水領域22)の少なくとも一部に撥水処理を施した撥水部23を形成する。これにより、より親水部21に液水が集中し易くなるので、親水部22の表面に水の膜ができ易くなり、ひいては反応ガスの流れに伴って除去され易くなる。その結果、ガス拡散電極2とガス流路5の排水機能が向上されるので、フラッディングが生じるのを抑制することができる。また、親水部21に含有されない水については、撥水部23においてガス流路5の表面に水滴状に存在するため、反応ガスの流れにより排出され易くなる。
In the present embodiment, the water-
また、親水部21と撥水部23の境界部分において、水が滞留するのを防止し、ガス流路5に水が滞留するのを抑制することができる。特に、親水部21と撥水部23の境界部分を、ガス流路5の角部10となるように形成した。これにより、比較的水が滞留し易い角部10の排水機能を向上することができるので、ガス流路5内に水を滞留し難くすることができる。
Further, water can be prevented from staying at the boundary portion between the
なお、第1の実施形態に加えて、第2〜5の実施形態のいずれにおいても同様に撥水部23を形成することができる。例えば、溝表面17のうち親水処理の施されていない領域全体に撥水処理を施して撥水部23を形成してもよい。または、溝底面11の親水処理を施されていない領域に撥水処理を施して撥水部23を形成してもよい。さらに、このような撥水部23は、第6〜8の実施形態に記載したいずれのセパレータ4に形成したガス流路5にも適用することができる。
In addition to the first embodiment, the water-
次に、第10の実施形態について説明する。セパレータ4の、ガス流路5の流路軸に垂直な方向の断面を図12に示す。以下、第9の実施形態と異なる部分を中心に説明する。
Next, a tenth embodiment will be described. A cross section of the
セパレータ4を、撥水性材料とその他の材料から構成する。撥水性材料として、平板41を用いる。また、その他の材料として、撥水性を有さない柱状のリブ部材42を用いる。なお、リブ部材42は、セパレータ4組み立て後には、第1の実施形態におけるリブ6を形成する。よって、リブ部材42には、組み立て時に接触面16となる面の一部に親水部21bを形成し、また、溝側面12となる面の少なくとも一部に親水部21bに連通する親水部21aを形成する。
The
平板41にリブ部材42を等間隔に配置することにより、隣り合うリブ部材42間にガス流路5を形成する。このように構成することで、溝表面17のうち溝底面11は平板41により形成されるので、溝底面11は撥水部23となる。また、溝側面12は、リブ部材42に形成された親水部21aとなり、ガス流路5内に親水部21と撥水部23が形成される。
By arranging the
このようにセパレータ4を、撥水性を有する平板41に、少なくとも一部に親水処理を施したリブ部材42を配置することにより構成する。これにより、第9の実施形態と比べて簡単に、溝表面17に親水部21と撥水部23を形成することができる。
In this way, the
なお、第1の実施形態に加えて、第2〜4の実施形態のいずれにおいても同様に撥水部23を形成することができる。また、第6〜8の実施形態に記載したいずれのセパレータ4に形成したガス流路5にも適用することができる。
In addition to the first embodiment, the
次に、第11の実施形態について説明する。セパレータ4およびガス拡散電極2の、ガス流路5の流路軸に垂直な方向の断面を図13に示す。以下、第1の実施形態と異なる部分を中心に説明する。
Next, an eleventh embodiment will be described. FIG. 13 shows a cross section of the
第1の実施形態において、セパレータ4に接触するガス拡散電極2に、親水処理を施す。ここでは、ガス拡散電極2全体に親水処理を施すが、その限りではない。このようにガス拡散電極2に親水処理を施すことで、反応領域で生成された水がガス拡散電極2内を移動し易くなる。よって、発電反応によって生じた生成水が、ガス拡散電極2内でリブ5との接触面16、ひいては親水部21まで移動し易くなるので、ガス拡散電極2から水が排出され易くなる。その結果、親水部21を通って溝表面17に到達し、反応ガスとともに燃料電池外に排出され易くなる。
In the first embodiment, the
なお、第1の実施形態に加えて、第2〜10の実施形態のいずれにおいても、同様に、ガス拡散電極2に親水処理を施すことができる。
In addition to the first embodiment, in any of the second to tenth embodiments, the
次に、第12の実施形態について説明する。セパレータ4のガス拡散電極2に接触する面4aの平面図を図14に示す。以下、第6の実施形態と異なる部分を中心に説明する。
Next, a twelfth embodiment will be described. A plan view of the
ガス流路5として、櫛型交互形状の流路を用いる。一端が供給側マニホールド7に連通し、もう一端が行き止まり13aとなる供給側ガス流路5aと、一端が排出側マニホールド8に連通し、もう一端が行き止まり13bとなる排出側ガス流路5bとを、交互に形成することによりガス流路5を構成する。供給側ガス流路5aと排出側ガス流路5bとは互いに連通させず、また、それぞれの流路軸は、互いに平行となるように形成される。隣り合う供給側ガス流路5aと排出側ガス流路5bとの間には、流路を仕切るリブ6が形成される。
As the
供給側マニホールド7から供給された反応ガスは、並列に形成された複数の供給側ガス流路5aにそれぞれ分配される。この供給側ガス流路5aは下流端が行き止まり13aとなっているため、反応ガスは強制的にセパレータ4に隣接する図示しないガス拡散電極2に拡散される。ガス拡散電極2に透過した反応ガスは発電反応に用いられた後、上流端が行き止まり13bとなっている排出側ガス流路5bに排出される。反応ガスは、排出側ガス流路5bを通って排出側マニホールド8に回収され、燃料電池の外部に排出される。このような櫛型交互形状のガス流路5において、排出側ガス流路5bのみに親水部21を形成する。ガス拡散電極2に拡散した反応ガスは、発電反応により消費されるため、供給側ガス流路5a内に比較して排出側ガス流路5b内のガス流量は小さくなる。そのため、排出側ガス流路5b内での反応ガスの流速は小さくなり、水が排出され難くなる。そこで、排出側ガス流路5bに親水部21を設けることで、反応ガスの流速が遅い場合にも水を移動し易くさせて流路が閉塞されるのを防止する。
The reaction gas supplied from the
次に、本実施形態の効果について説明する。以下、第1〜11の実施形態の効果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 the effects of the first to eleventh embodiments will be described.
ガス流路5を、一端が供給側マニホールド7に連通し、もう一端が行き止まり13aよりなる供給側ガス流路5aと、一端が排出側マニホールド8に連通し、もう一端が行き止まり13bより成る排出側ガス流路5bと、を交互に配置することにより構成する。排出側ガス流路5bのみに親水部21を形成する。これにより、流通する反応ガス流量が少ない排出側ガス流路5bにおいて、フラッディングを抑制し、発電効率を維持することができる。
One end of the
なお、本実施形態に用いるガス流路5の形状は、第1〜5、9、10の実施形態の何れを用いても良い。また、第11の実施形態と同様に、ガス拡散電極2に親水処理を施しても良い。
Note that any of the first to fifth, ninth, and tenth embodiments may be used as the shape of the
また、ここではガス流路5について、燃料ガスを流通するアノードガス流路であるか、酸化剤ガスを流通するカソードガス流路であるかの限定を行っていないが、どちらか一方の流路のみを上述したような構成としてもよいし、両方の流路を上述したような構成としてもよい。
Further, 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、固体高分子型燃料電池に適用することができる。 The present invention can be applied to a polymer electrolyte fuel cell.
1 固体高分子電解質膜(電解質膜)
2 ガス拡散電極
4 セパレータ
5 ガス流路(反応ガス流路)
5a 供給側ガス流路
5b 排出側ガス流路
6 リブ
7 供給側マニホールド
8 排出側マニホールド
11 溝底面
12 溝側面
16 接触面
21 親水部
22 非親水部
23 撥水部
1 Solid polymer electrolyte membrane (electrolyte membrane)
2
5a Supply side
Claims (10)
前記ガス拡散電極に隣接して配置され、その接触面に、前記ガス拡散電極に接触するリブと、前記リブ間に形成された溝形状の反応ガス流路と、を有するセパレータと、を備え、
前記リブの前記ガス拡散電極に接触する面の一部と、前記反応ガス流路を形成する溝表面の一部に、連通して親水処理を施すことにより、親水部を形成することを特徴とする燃料電池。 A gas diffusion electrode disposed on both sides of the electrolyte membrane;
A separator having a rib disposed adjacent to the gas diffusion electrode and having a rib in contact with the gas diffusion electrode and a groove-shaped reaction gas channel formed between the ribs on the contact surface;
A hydrophilic portion is formed by performing a hydrophilic treatment in communication with a part of a surface of the rib that contacts the gas diffusion electrode and a part of a groove surface that forms the reaction gas flow path. Fuel cell.
一端が排出側マニホールドに連通し、もう一端が行き止まりよりなる排出側ガス流路と、を交互に配置することにより構成し、
前記排出側ガス流路のみに親水部を形成する請求項1に記載の燃料電池。 A supply side gas flow path having one end communicating with the supply side manifold and the other end formed of a dead end;
One end communicates with the discharge side manifold, and the other end is constituted by alternately arranging the discharge side gas flow path consisting of a dead end,
The fuel cell according to claim 1, wherein a hydrophilic portion is formed only in the discharge side gas flow path.
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