JP2005129431A - Fuel cell and gas separator for fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池および燃料電池用ガスセパレータに関する。 The present invention relates to a fuel cell and a fuel cell gas separator.
燃料電池においては、電気化学反応の進行に伴ってカソードで水が生じ、生じた生成水はカソードに給排される酸化ガス中に気化する。そのため、酸化ガスの流路においては、生成水が凝縮して酸化ガスの流れを妨げるなどの不都合が生じるのを防止するために、生じた生成水を酸化ガスの流路から積極的に除去する構成を設けることが望ましい。なお、凝縮水の問題は、酸化ガスの流路においてのみ生じるわけではなく、アノードに供給される燃料ガスの流路においても、電解質層を介して酸化ガス流路側から混入する水蒸気や、予め燃料ガスが含有する水蒸気などに起因して生じ得る問題である。 In the fuel cell, water is generated at the cathode as the electrochemical reaction proceeds, and the generated water is vaporized into the oxidizing gas supplied to and discharged from the cathode. Therefore, in the oxidizing gas flow path, the generated water is positively removed from the oxidizing gas flow path in order to prevent inconveniences such as generation water condensing and preventing the flow of the oxidizing gas. It is desirable to provide a configuration. Note that the problem of condensed water does not occur only in the oxidizing gas flow path, but also in the fuel gas flow path supplied to the anode, the water vapor mixed from the oxidizing gas flow path side through the electrolyte layer or the fuel in advance This is a problem that may occur due to water vapor contained in the gas.
特許文献1では、積層された単セル間に冷却水流路を設け、単セル内の酸化ガス流路と冷却水流路との間に多孔質体で形成したプレートを配置して、酸化ガス流路と冷却水流路との間の差圧制御により、カソードで生じた生成水を上記プレートを介して冷却水流路に排出する構成が開示されている。 In Patent Document 1, a cooling water flow path is provided between stacked single cells, and a plate formed of a porous body is disposed between the oxidizing gas flow path and the cooling water flow path in the single cell, so that the oxidizing gas flow path is provided. A configuration is disclosed in which generated water generated at the cathode is discharged to the cooling water flow path via the plate by controlling the differential pressure between the cooling water flow path and the cooling water flow path.
しかしながら、上記特許文献1の構成によれば、カソードで生じた生成水を多孔質プレートを介して冷却水流路側に排出するためには、酸化ガス流路と冷却水流路との間の差圧制御が必要となるため、システムが複雑化するという問題があった。 However, according to the configuration of Patent Document 1, in order to discharge the generated water generated at the cathode to the cooling water channel side through the porous plate, the differential pressure control between the oxidizing gas channel and the cooling water channel is performed. There is a problem that the system becomes complicated.
本発明は、上述した従来の課題を解決するためになされたものであり、複雑な制御を行なうことなく、燃料電池の反応ガス流路内で生じた水を反応ガス流路外に排出することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described conventional problems, and discharges water generated in the reaction gas passage of the fuel cell to the outside of the reaction gas passage without performing complicated control. With the goal.
上記目的を達成するために、本発明は、燃料電池であって、
電解質層と、
該電解質層に隣接するガスセパレータであって、
少なくとも一部が第1の多孔質部によって形成される第1の面と、
前記第1の多孔質部に比べて気孔率および/または気孔径が小さく、前記第1の多孔質部から水分を供給可能に配設された第2の多孔質部によって、少なくとも一部が形成される第2の面と、を有し、
前記第1の面において、電気化学反応で利用する反応ガスが流れる反応ガス流路を形成すると共に、前記第2の面において、冷却ガスが流れる冷却ガス流路を形成するガスセパレータと
を備えることを要旨とする。
In order to achieve the above object, the present invention provides a fuel cell comprising:
An electrolyte layer;
A gas separator adjacent to the electrolyte layer,
A first surface at least partially formed by the first porous portion;
The porosity and / or the pore diameter is smaller than that of the first porous portion, and at least a part is formed by the second porous portion disposed so that moisture can be supplied from the first porous portion. A second surface, and
A gas separator which forms a reaction gas flow path in which the reaction gas used in the electrochemical reaction flows in the first surface and forms a cooling gas flow path in which the cooling gas flows in the second surface. Is the gist.
以上のように構成された本発明の燃料電池によれば、反応ガス流路中の水分は、第1の多孔質部に吸収された後、第2の多孔質部に供給されて、第2の多孔質部表面から冷却ガス流路中に放出することができる。これにより、複雑な制御を行なうことなく、反応ガス流路中の水分の除去を行なうことができる。このとき、第2の多孔質部は、第1の多孔質部に比べて気孔率および/または気孔径が小さいため、第2の多孔質部は、反応ガス流路と冷却ガス流路との間でガスが行き来するのを妨げる抵抗として働き、反応ガスと冷却ガスとが混合するのを抑えることができる。すなわち、反応ガスが冷却ガス流路側に漏れだして反応ガスの利用率が低下したり、冷却ガスが反応ガス流路側に混入するのを抑えることができる。また、第1の多孔質部は、気孔率/およびまたは気孔径がより大きいことにより、反応ガス流路中の水分を充分に吸収することができる。 According to the fuel cell of the present invention configured as described above, the moisture in the reaction gas flow path is absorbed by the first porous portion and then supplied to the second porous portion, so that the second It can discharge | release in a cooling gas flow path from the porous part surface of this. Thereby, the water | moisture content in a reaction gas flow path can be removed, without performing complicated control. At this time, since the second porous portion has a smaller porosity and / or pore diameter than the first porous portion, the second porous portion is formed between the reaction gas channel and the cooling gas channel. It acts as a resistance that prevents gas from going back and forth between them, and it is possible to suppress mixing of the reaction gas and the cooling gas. That is, it is possible to suppress the reaction gas from leaking to the cooling gas flow channel side and reducing the utilization rate of the reaction gas, or mixing the cooling gas to the reaction gas flow channel side. In addition, the first porous portion can sufficiently absorb moisture in the reaction gas flow path by having a larger porosity and / or pore diameter.
本発明の燃料電池において、
前記第1の多孔質部は、前記第1の面のうちの、前記反応ガス流路を形成する領域の少なくとも一部に配設され、
前記第2の多孔質部は、前記第2の面のうちの、前記冷却ガス流路を形成する領域の少なくとも一部に配設されることとしても良い。
In the fuel cell of the present invention,
The first porous portion is disposed in at least a part of a region of the first surface that forms the reaction gas flow path,
The second porous portion may be disposed in at least a part of a region of the second surface that forms the cooling gas channel.
このような構成とすれば、反応ガス流路中の水分は、反応ガス流路を形成する領域に配設された第1多孔質部から第1多孔質部内に吸収され、吸収された水分は、冷却ガス流路を形成する領域に配設された第2多孔質部から、冷却ガス流路中に放出することができる。 With such a configuration, the moisture in the reaction gas channel is absorbed into the first porous part from the first porous part disposed in the region forming the reaction gas channel, and the absorbed moisture is In addition, it can be discharged into the cooling gas flow path from the second porous portion disposed in the region forming the cooling gas flow path.
本発明の燃料電池において、
前記冷却ガス流路と前記反応ガス流路とを接続し、前記冷却ガス流路を通過した冷却ガスを前記反応ガスとして前記反応ガス流路に導く接続流路をさらに備えることとしても良い。
In the fuel cell of the present invention,
It is good also as a connection channel which connects the cooling gas channel and the reaction gas channel, and guides the cooling gas which passed through the cooling gas channel to the reaction gas channel as the reaction gas.
このような構成とすれば、反応ガスと同種のガスを冷却ガスとして用いることになるため、第1および第2の多孔質部を介して反応ガスと冷却ガスとが混じり合うことがあっても、異種のガスが混入することに起因する不都合が生じることがない。また、上記構成によれば、予め冷却ガス流路を通過させることによって、電気化学反応に供する反応ガスを加湿することができる。したがって、固体高分子型燃料電池に適用する場合には、反応ガスが流入する流入部付近の領域において、電解質膜が乾燥するのを防止することができる。これにより、燃料電池に供給する反応ガスを加湿するための装置を不要としたり、加湿装置を小型化することが可能となる。 With such a configuration, since the same kind of gas as the reaction gas is used as the cooling gas, the reaction gas and the cooling gas may be mixed through the first and second porous portions. There is no inconvenience caused by mixing different kinds of gases. Moreover, according to the said structure, the reaction gas used for an electrochemical reaction can be humidified by letting a cooling gas flow path pass beforehand. Therefore, when applied to a polymer electrolyte fuel cell, it is possible to prevent the electrolyte membrane from drying in the region near the inflow portion where the reaction gas flows. As a result, it is possible to eliminate the need for a device for humidifying the reaction gas supplied to the fuel cell, and to reduce the size of the humidifier.
また、本発明の燃料電池において、
前記反応ガス流路は、水素を含有する燃料ガスが通過する燃料ガス流路および/または酸素を含有する酸化ガス流路を形成する酸化ガス流路であり、
前記ガスセパレータを、前記燃料ガス流路および/または前記酸化ガス流路を形成するために用いていることとしても良い。
In the fuel cell of the present invention,
The reaction gas channel is an oxidizing gas channel that forms a fuel gas channel through which a fuel gas containing hydrogen passes and / or an oxidizing gas channel containing oxygen,
The gas separator may be used to form the fuel gas channel and / or the oxidizing gas channel.
このような構成とすれば、上記ガスセパレータを用いて形成した燃料ガス流路および/または酸化ガス流路形成部において、第1および第2の多孔質部を利用して効果的に排水を行なうことができると共に、反応ガスである燃料ガスおよび/または酸化ガスと冷却ガスとが混合するのを抑えることができる。 With such a configuration, drainage is effectively performed using the first and second porous portions in the fuel gas flow path and / or the oxidation gas flow path forming portion formed using the gas separator. In addition, the fuel gas and / or the oxidizing gas, which is the reaction gas, and the cooling gas can be prevented from being mixed.
本発明の燃料電池において、
前記第1の多孔質部および前記第2の多孔質部は、前記反応ガス流路から前記反応ガスが排出される排出部近傍に対応する領域に設けられていることとしても良い。
In the fuel cell of the present invention,
The first porous portion and the second porous portion may be provided in a region corresponding to the vicinity of a discharge portion where the reaction gas is discharged from the reaction gas flow path.
反応ガス流路では、一般に、反応ガスの流れの下流側ほど内部の水分量は増加する。そのため、反応ガス流路から反応ガスが排出される排出部近傍に対応する領域とは、反応ガス流路において、最も水分量の多い領域である。したがって、上記構成とすることにより、水分量がより多い領域において、効率よく反応ガス流路から水分を除去することができる。 In the reaction gas flow path, generally, the moisture content inside increases toward the downstream side of the flow of the reaction gas. Therefore, the region corresponding to the vicinity of the discharge portion where the reaction gas is discharged from the reaction gas channel is a region with the largest amount of moisture in the reaction gas channel. Therefore, with the above configuration, moisture can be efficiently removed from the reaction gas channel in a region where the amount of moisture is larger.
本発明は、上記以外の種々の形態で実現可能であり、例えば、燃料電池用ガスセパレータなどの形態で実現することが可能である。 The present invention can be realized in various forms other than those described above, and can be realized in the form of, for example, a fuel cell gas separator.
次に、本発明の実施の形態を実施例に基づいて以下の順序で説明する。
A.装置の全体構成:
B.セパレータが備える多孔質部:
C.水分授受の動作:
D.効果:
E.変形例:
Next, embodiments of the present invention will be described in the following order based on examples.
A. Overall configuration of the device:
B. Porous part of the separator:
C. Moisture transfer behavior:
D. effect:
E. Variation:
A.装置の全体構成:
図1は、本発明の好適な一実施例である燃料電池を構成する基本単位である単セル10の構成を表わす分解斜視図である。また、図2は、単セル10を構成するセパレータ20の様子を表わす平面図である。
A. Overall configuration of the device:
FIG. 1 is an exploded perspective view showing a configuration of a
本実施例の燃料電池は、固体高分子型燃料電池であって、図1に示す単セル10を複数積層して直列に接続したスタック構造を有している。単セル10は、図1に示すように、膜−電極アセンブリ(MEA:Membrane-Electrode Assembly )12を、ガス拡散層13,14で挟持し、これらMEA12およびガス拡散層13,14をさらに両側からセパレータ20、22によって挟持することによって構成されている(図1では、ガス拡散層13は図示せず。図4参照)。
The fuel cell of the present embodiment is a polymer electrolyte fuel cell, and has a stack structure in which a plurality of
MEA12は、固体高分子電解質膜の両面に触媒層を形成することによって得られる。固体高分子電解質膜は、例えばフッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜であり、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。触媒層は、触媒としての白金または白金と他の金属からなる合金を有する層である。また、ガス拡散層13,14は、ガス拡散性の導電性部材、例えば炭素繊維からなる糸で織成したカーボンクロス、あるいはカーボンペーパまたはカーボンフエルトなどによって形成することができる。
The
セパレータ20,22と、上記ガス拡散層に挟持されたMEA12との間には、電気化学反応に供される反応ガスの流路が形成される。すなわち、セパレータ20と、ガス拡散層13を備えるMEA12との間には、空気などの酸素を含有する酸化ガスが通過する単セル内酸化ガス流路が形成される。また、セパレータ22と、ガス拡散層14を備えるMEA12との間には、水素を含有する燃料ガスが通過する単セル内燃料ガス流路が形成される。さらに、一つの単セル10を構成するセパレータ20と、隣接する単セル10を構成するセパレータ22との間には、冷却水が通過するセル間冷却水流路と、冷却ガスが通過するセル間冷却ガス流路とが形成される。このように本実施例の燃料電池では、セル間冷却水流路およびセル間冷却ガス流路が、隣り合うすべての単セル間に形成されているが、複数のセル毎に形成されることとしても良い。セパレータ20,22は、カーボンや金属などの導電性材料によって形成されており、ガスおよび水分が透過しない緻密体と、水分(液水あるいは水蒸気)の透過を許容する多孔体とから成る。この多孔質体の配置は、本発明の要部に対応しており、後に詳しく説明する。
Between the
図2(A),(B)は、セパレータ20をそれぞれの面から見た様子を表わす平面図である。図2(A)は、図1に示すセパレータ20において手前側に見えている面を表わす。図2中、A方向は水平方向を表わし、B方向は鉛直方向を表わす。図2に示すように、セパレータ20は、その外周近くに8個の孔を備えている。すなわち、セパレータ20の水平方向の一辺の近傍には、この辺に沿って隣接する3つの孔である孔部26b,22a,24aが設けられており、この辺に対向する辺の近傍には、同じく隣接する孔部24b,22bが設けられている。また、セパレータ20の鉛直方向の一辺の近傍には、この辺に沿って隣接する2つの孔である孔部26a,28aが設けられており、この辺に対向する辺の近傍には、孔部28bが設けられている。図1に示すように、上記8個の孔部と同様の孔部は、セパレータ22の対応する位置にも設けられており、対応する位置に設けられた孔部は、スタック構造内で重なり合って、燃料電池の内部を単セル10の積層方向に貫通する流体流路を形成する。
2A and 2B are plan views showing a state in which the
セパレータ20,22に形成された孔部22aは、酸化ガス供給マニホールドを形成し、孔部22bは、酸化ガス排出マニホールドを形成する。酸化ガス供給マニホールドは、外部から酸化ガス(本実施例では空気)を供給されて、供給された酸化ガスを各単セル10に分配するための流路であり、酸化ガス排出マニホールドは、各単セルから排出された酸化ガスを集合させて、燃料電池の外部に導くための流路である。また、孔部24aは燃料ガス供給マニホールドを形成し、孔部24bは、燃料ガス排出マニホールドを形成する。燃料ガス供給マニホールドは、外部から燃料ガスを供給されて、供給された燃料ガスを各単セル10に分配するための流路であり、燃料ガス排出マニホールドは、各単セルから排出された燃料ガスを集合させて、燃料電池の外部に導くための流路である。また、孔部26aは、冷却水供給マニホールドを形成し、孔部26bは、冷却水排出マニホールドを形成する。冷却水供給マニホールドは、外部から冷却水を供給されて、供給された冷却水を各単セル10間の冷却水流路に分配するための流路であり、冷却水排出マニホールドは、各単セル間の冷却水流路から排出された冷却水を集合させて、燃料電池の外部に導くための流路である。さらに、孔部28aは、冷却ガス供給マニホールドを形成し、孔部28bは、冷却ガス排出マニホールドを形成する。冷却ガス供給マニホールドは、外部から冷却ガスを供給されて、供給された冷却ガスを各単セル10間の冷却ガス流路に分配するための流路であり、冷却ガス排出マニホールドは、各単セル間の冷却ガス流路から排出された冷却ガスを集合させて、燃料電池の外部に導くための流路である。
The
セパレータ20の一方の面には、孔部22aと孔部22bとを連絡する酸化ガス流路形成部30が設けられている(図2(A)参照)。酸化ガス流路形成部30は、ガス拡散層13を備えるMEA12との間に単セル内酸化ガス流路を形成する。酸化ガス供給マニホールドから各単セル10に分配された酸化ガスは、上記単セル内酸化ガス流路を通過して、酸化ガス排出マニホールドに集合する。単セル内酸化ガス流路における酸化ガスの流れの方向を、図2(A)において矢印で示している。
One surface of the
また、セパレータ20の他方の面には、孔部26aと孔部26bとを連絡する冷却水流路形成部32が設けられている(図2(B)参照)。セパレータ20は、隣接する他の単セルが備えるセパレータ22と接するように配設されるため、上記冷却水流路形成部32は、上記隣接するセパレータ22との間にセル間冷却水流路を形成する。本実施例のセル間冷却水流路は、冷却水の流れが変更される折れ曲がり部を複数有するサーペンタイン流路である。なお、上記隣接するセパレータ22には、セパレータ20と接する面において、上記冷却水流路形成部32と対応する形状の冷却水流路形成部33が形成されており(図1参照)、この冷却水流路形成部33は、隣り合うセパレータ20に設けられた冷却水流路形成部32と共に、上記セル間冷却水流路を形成する。冷却水供給マニホールドから各セル間冷却水流路に分配された冷却水は、上記セル間冷却水流路を通過して、冷却水排出マニホールドに集合する。セル間冷却水流路における冷却水の流れの方向を、図2(B)において矢印で示している。
Moreover, the other surface of the
さらに、セパレータ20の他方の面には、孔部28aと孔部28bとを連絡する冷却ガス流路形成部34が設けられている(図2(B)参照)。この冷却ガス流路形成部34は、上記隣接するセパレータ22との間にセル間冷却ガス流路を形成する。なお、セパレータ22には、セパレータ20と接する面において、上記冷却ガス流路形成部34と対応する形状の冷却ガス流路形成部35が形成されており(図1参照)、この冷却ガス流路形成部35は、隣り合うセパレータ20に設けられた冷却ガス流路形成部34と共に、上記セル間冷却ガス流路を形成する。冷却ガス供給マニホールドから各セル間冷却ガス流路に分配された冷却水は、上記セル間冷却ガス流路を通過して、冷却ガス排出マニホールドに集合する。セル間冷却ガス流路における冷却ガスの流れの方向を、図2(B)において矢印で示している。
Furthermore, the other surface of the
なお、セパレータ22において、冷却水流路形成部33および冷却ガス流路形成部35が設けられた面と反対の面には、孔部24aと孔部24bとを連絡して、ガス拡散層14を備えるMEA12との間に単セル内燃料ガス流路を形成するための燃料ガス流路形成部が設けられている(図示せず)。燃料ガス供給マニホールドから各単セル10に分配された燃料ガスは、上記単セル内燃料ガス流路を通過して、燃料ガス排出マニホールドに集合する。
In the
ここで、図1および図2では、酸化ガス流路形成部30は、平坦な底面を有する凹部として表わしているが、酸化ガス流路形成部30および燃料ガス流路形成部は、所定の凹凸形状を設けて、凸部において隣り合う部材と接することで、導電性を確保することとしても良い。設ける凹凸形状は、例えば、略平行な複数の溝状流路群としても良く、あるいは、凹部の底面から突出する複数の凸部を設けることとしても良い。また、酸化ガス流路形成部30および燃料ガス流路形成部は、平坦な底面をもつ凹部として形成し、この凹部内にガス拡散層をはめ込むことによって、ガス流路を形成することとしても良い。なお、冷却ガス流路形成部34においても同様に、所定の凹凸形状を設けることとしても良い。
Here, in FIGS. 1 and 2, the oxidizing gas flow
B.セパレータが備える多孔質部:
図3は、単セル10の内部構成を模式的に表わす断面図である。図3は、図2に示したセパレータ20における3−3断面に対応する断面の様子を示している。セパレータ20は、多孔質体によって形成される第1多孔質部50および第2多孔質部52を備えている。ここで、第2多孔質部52は、第1多孔質部50よりも、気孔率がより小さく形成されている。なお、既述した図1および図2では、冷却水流路形成部32および冷却ガス流路形成部34の形状を単純化して表わしているが、図3では、冷却水流路形成部32および冷却ガス流路形成部34における凹凸形状をより細かく記載している。
B. Porous part of the separator:
FIG. 3 is a cross-sectional view schematically showing the internal configuration of the
セパレータ20は、カーボンや金属などの導電性材料によって形成されており、上記第1および第2多孔質部以外の領域(以下、セパレータ基部という)は、水分およびガスが不透過な部材により形成されている。例えば、セパレータ基部は、バインダを混合したカーボン粉末を圧縮成形した緻密質カーボンや、プレス成形した金属板により形成することができる。また、第1および第2多孔質部は、上記セパレータ基部を構成する部材と同種の材料により形成することが好ましい。例えば、セパレータ基部がカーボン製である場合には、第1および第2多孔質部は、カーボン粉末の形状やサイズ、あるいはバインダとの混合比率などを適宜選定することにより所望の気孔率にしたカーボン多孔質体により形成すればよい。また、セパレータ基部が金属製である場合には、第1および第2多孔質部は、所望の気孔率を有する焼結金属や金属メッシュなどの金属多孔質体により、形成すればよい。セパレータ基部と、第1および第2多孔質部とは、一体形成しても良いし、別体で形成した後に両者を結合させることとしても良い。
The
セパレータ20では、多孔質体によって形成される第1多孔質部50が、酸化ガス流路形成部30が形成される領域全体において、酸化ガス流路形成部30の表面を構成するように所定の厚みをもって配設されている。また、気孔率がより小さい第2多孔質部52は、冷却ガス流路形成部34が形成される領域において、冷却ガス流路形成部34の表面を構成するように所定の厚みをもって配設されている(図3参照)。ここで、図3および後述する図4では、冷却ガス流路形成部34が、所定の凹凸形状を有する様子を表わしている。セパレータ20において第2多孔質部52が形成される領域は、図1および図2では、水分授受領域53として、破線で囲んで示している。また、上記水分授受領域53では、酸化ガス流路形成部30側に配設される第1多孔質部50と、冷却ガス流路形成部34側に配設される第2多孔質部52とは、水分授受領域53全体にわたって互いに接触している。
In the
図3では、酸化ガス流路形成部30において、ガス拡散層13を備えるMEA12と、セパレータ20表面との間に、単セル内酸化ガス流路40が形成される様子が示されている。また、図3では、セパレータ20,22が備える孔部22aによって酸化ガス供給マニホールド44が形成され、セパレータ20,22が備える孔部22bによって酸化ガス排出マニホールド46が形成され、これらのマニホールドが単セル内酸化ガス流路40と連通している様子が示されている。既述した水分授受領域53は、単セル内酸化ガス流路40から酸化ガスが排出される排出部、すなわち、単セル内酸化ガス流路40における酸化ガス排出マニホールド46との接続部の近傍に対応する領域となっている。
FIG. 3 shows a state in which the oxidizing
なお、セパレータ22には、燃料ガス流路形成部が形成される領域全体において、燃料ガス流路形成部の表面を形成するように所定の厚みをもって、第1多孔質部50と同様の第3多孔質部54が配設されている(図3参照)。図3では、セパレータ22の燃料ガス流路形成部において、ガス拡散層14を備えるMEA12と、第3多孔質部54が配設されたセパレータ22表面との間に、単セル内燃料ガス流路42が形成される様子が示されている。セパレータ22において、MEA12と対向する面と反対側の面には、セパレータ20と同様に、冷却ガス流路形成部35と冷却水流路形成部33の形状に対応する所定の凹凸形状が設けられている。セパレータ22では、これら冷却ガス流路形成部35および冷却水流路形成部33が形成される面には、多孔質体は配設されていない。
The
図3では、セパレータ20の酸化ガス流路形成部30によって所定の空間である単セル内酸化ガス流路40が形成され、セパレータ22の燃料ガス流路形成部によって所定の空間である単セル内燃料ガス流路42が形成される様子を示したが、既述したように、酸化ガス流路形成部30および燃料ガス流路形成部は、所定の形状の凸部を有していても良い。図4は、図3に示す断面と平行な断面であって、酸化ガス流路形成部30および燃料ガス流路形成部において、MEA12上のガス拡散層と接する凸部が形成される断面の様子を表わす。なお、図3および図4に示すように、セパレータ20のセパレータ基部では、冷却ガス流路形成部34および冷却水流路形成部32の周りにおいて、Oリングなどのシール部材38が配設されており、セル間冷却ガス流路およびセル間冷却水流路をシールしている。
In FIG. 3, the oxidant gas flow
C.水分授受の動作:
燃料電池では、電気化学反応の進行に伴ってカソードで水が生じる。電気化学反応で生じた水は、単セル内酸化ガス流路40を通過する酸化ガス中に気化して、酸化ガスと共に下流に流れる。そのため、単セル内酸化ガス流路40においては、下流側ほどガス中の水分量が多くなる。本実施例の燃料電池では、酸化ガス流路形成部30の表面に第1多孔質部50を配設しているため、酸化ガス単セル内酸化ガス流路40内の水分(液水および/または水蒸気)は、第1多孔質部50内に取り込まれる。また、セパレータ20には、第1多孔質部50と連続して第2多孔質部52が設けられているため、第1多孔質部50内に取り込まれた水分は、第2多孔質部52に移動して、第2多孔質部52からセル間冷却ガス流路を流れる冷却ガス中に供給される。
C. Moisture transfer behavior:
In a fuel cell, water is generated at the cathode as the electrochemical reaction proceeds. Water generated by the electrochemical reaction is vaporized into the oxidizing gas passing through the single-cell oxidizing
ここで、単セル内酸化ガス流路40内を通過する酸化ガス中の水分量が飽和蒸気圧を下回っているときには、単セル内酸化ガス流路40から第1多孔質部50および第2多孔質部52を介して冷却ガス流路へと移動する水分は、水蒸気の状態で移動する。これに対して、単セル内酸化ガス流路40を通過する酸化ガス中の水分量が多く、水が凝縮する場合には、凝縮水が第1多孔質部50に一旦吸収された後に第2多孔質部52に移動して、第2多孔質部52から冷却ガス流路内に水が気化することによって、水分授受が行なわれる。単セル内酸化ガス流路40内の凝縮水は、多孔質体によって形成される第1多孔質部50において、毛管吸引力によって容易に内部に取り込まれ、さらに第2多孔質部52に移動する。また、このように凝縮水が第1多孔質部50に吸収される場合には、第1多孔質部50および第2多孔質部52が凝縮水を吸収することによってガスシールされ、単セル内酸化ガス流路40と冷却ガス流路との間でガスが混じり合うのが抑えられる。なお、このような酸化ガスからの水分の取り込みおよびセル間冷却ガス流路側への水分移動を促進するために、第1多孔質部50および第2多孔質部52は、親水処理を施して親水性を高めることが望ましい。例えば、第1多孔質部50および第2多孔質部52をカーボン製の多孔質体によって形成する場合には、このカーボン多孔質体を過酸化水素水中で煮沸処理して、カーボン表面に水酸基(−OH基)を導入することにより、容易に親水性を付与することができる。
Here, when the amount of water in the oxidizing gas passing through the single-cell oxidizing
本実施例の燃料電池では、冷却ガスは、酸化ガスとして電気化学反応に供する空気を用いている。図5に、本実施例の燃料電池における冷却ガスおよび酸化ガスの流れを模式的に表わす。図5では、セパレータ22の冷却ガス流路形成部35が形成される面を用いて流路の接続関係を説明している。すなわち、空気ポンプ16から、孔部28aが形成する冷却ガス供給マニホールドに対して、冷却ガスとして空気が供給され、供給された空気は、冷却ガス流路形成部35が形成するセル間冷却ガス流路を介して、孔部28bが形成する冷却ガス排出マニホールドへと流れる。このとき、セル間冷却ガス流路を通過する空気は、第1および第2多孔質部内を移動する水分によって加湿される。冷却ガス排出マニホールドに集合した空気は、接続流路15に導かれて、孔部22aが形成する酸化ガス供給マニホールドに流入し、各単セル内酸化ガス流路に分配される。ここで、冷却ガス排出マニホールドおよび酸化ガス供給マニホールドは、燃料電池を積層方向に貫通する流路であるため、接続流路15は、例えば、燃料電池の積層方向端部の一方において、冷却ガス排出マニホールド端部と酸化ガス供給マニホールド端部とを接続するように配設すればよい。あるいは、燃料電池を構成するスタック内で、各セル面内において、接続流路15を設けることも可能である。
In the fuel cell of the present embodiment, the cooling gas uses air that is subjected to an electrochemical reaction as an oxidizing gas. FIG. 5 schematically shows the flow of the cooling gas and the oxidizing gas in the fuel cell of this embodiment. In FIG. 5, the connection relationship of the flow paths is described using the surface of the
また、図5に示すように、本実施例の燃料電池では、空気ポンプと冷却ガス供給マニホールドとを接続する流路から分岐して、セル間冷却ガス流路を経由することなく空気を接続流路15に導く空気分岐路17が設けられている。この空気分岐路17には、空気分岐路17を通過する空気量を調節するための流量調整弁18が設けられている。したがって、空気ポンプ16および流量調整弁18を制御することで、セル間冷却ガス流路を通過する空気量と、電気化学反応に供する空気量とを、それぞれ調節することができる。
Further, as shown in FIG. 5, in the fuel cell of the present embodiment, air is branched from the flow path connecting the air pump and the cooling gas supply manifold, and the air is connected without flowing through the inter-cell cooling gas flow path. An
なお、本実施例の燃料電池では、単セル内燃料ガス流路内を通過する燃料ガス中の水分は、第3多孔質部54に吸収される。したがって、単セル内燃料ガス流路内で水が凝縮することがあっても、凝縮水は第3多孔質部54に吸収されて、燃料ガス流路形成部表面全体に拡散する。これにより、第3多孔質部54に吸収された水分は、より乾燥した燃料ガスが通過する領域や温度がより高い領域で燃料ガス中に気化し、凝縮水が局所的に滞留するのが抑えられる。
In the fuel cell of this embodiment, moisture in the fuel gas passing through the single-cell fuel gas flow path is absorbed by the third
D.効果:
以上のように構成された本実施例の燃料電池によれば、第1多孔質部50および第2多孔質部52を介して、単セル内酸化ガス流路からセル間冷却ガス流路へと水分移動が可能となっているため、単セル内酸化ガス流路内に水分が滞留することに起因する不都合を防止することができる。このとき、圧力制御などの複雑な制御は必要でなく、セパレータにおいて酸化ガス流路と冷却ガス流路とを隔てる部位に多孔質体を配置するという簡単な構成により、単セル内酸化ガス流路からの排水を行なうことができる。ここで、第2多孔質部52は、第1多孔質部50よりも気孔率がより小さく形成されているため、第2多孔質部52は、単セル内酸化ガス流路とセル間冷却ガス流路との間をガスが流通する際に抵抗として働く。したがって、気孔率がより小さい第2多孔質部52を設けることにより、多孔質体を介して冷却ガスと酸化ガスとが混合するのを抑えることができる。例えば、単セル内酸化ガス流路内の酸化ガスが多孔質体を介してセル間冷却ガス流路に流出すると、酸化ガスが電気化学反応に充分に用いられる前に排出されることになり、酸化ガスの利用率が低下する可能性がある。また、セル間冷却ガス流路から単セル内酸化ガス流路に冷却ガス(空気)が流入すると、流入した空気は酸化ガスとして単セル内酸化ガス流路の上流側を通過することがないため、酸化ガスの利用率が低下する可能性がある。本実施例によれば、水分の移動は許容するがガスが行き来する際の抵抗となる第2多孔質部52を設けることにより、このような不都合を防止することができる。さらに、本実施例では、単セル内酸化ガス流路側に配設した第1多孔質部50において、気孔率をより大きくしているため、酸化ガス中の水分を、より容易に第1多孔質部50に吸収することができる。このように、本実施例のセパレータ20では、単セル内酸化ガス流路側に気孔率がより大きい多孔質体を配し、冷却ガス流路側に気孔率がより小さい多孔質体を配するという簡素な構成により、酸化ガス中の水分の排出を充分に確保すると共に、ガスの混合を抑える効果を容易に得ることができる。
D. effect:
According to the fuel cell of the present embodiment configured as described above, from the single-cell oxidizing gas flow path to the inter-cell cooling gas flow path via the first
ここで、第2多孔質部52および第1多孔質部50の気孔率、および、両者の気孔率の差は、単セル内酸化ガス流路内の酸化ガス圧や、セル間冷却ガス流路内の冷却ガス圧や、発電時における単セル内酸化ガス流路内の水分量などを考慮して、ガス混合を防ぐ効果と排水効率とが充分に実現されるように適宜設定すればよい。なお、本実施例では、第2多孔質部52は第1多孔質部50に比べて気孔率が小さいこととしたが、これに代えて、あるいはさらに加えて、気孔径が小さいこととしても良い。第2多孔質部52と第1多孔質部50との間で、気孔率および/または気孔径を異ならせることで、第1多孔質部50によって酸化ガスからの水分吸収を充分に確保すると共に、第2多孔質部52によって、ガスが透過する際の抵抗を充分に大きくすることができればよい。
Here, the porosity of the 2nd
また、本実施例の燃料電池では、第2多孔質部52は、酸化ガス流路形成部30において、酸化ガスが単セル内酸化ガス流路40から排出される排出部近傍に対応する領域に設けられているため、酸化ガス流路内の水分を効率よく除去することができる。すなわち、単セル内酸化ガス流路では下流側ほど水分量が多くなるため、下流側ほど第1多孔質部50内への水分吸収が多くなるが、第2多孔質部52が上記排出部近傍に対応する領域に設けられていることにより、吸収された水分を速やかに冷却ガス流路側へと運ぶことができる。
In the fuel cell of the present embodiment, the second
また、本実施例の燃料電池では、冷却ガスとして空気を用い、セル間冷却ガス流路を通過することで加湿した空気を酸化ガスとして各単セルに供給している。そのため、電気化学反応に供するのに先立って、電解質膜の乾燥を防ぐために酸化ガスを加湿する装置を不要とする、あるいは上記加湿装置を小型化することができる。 Further, in the fuel cell of this embodiment, air is used as the cooling gas, and the air humidified by passing through the inter-cell cooling gas flow path is supplied to each single cell as the oxidizing gas. Therefore, prior to the electrochemical reaction, a device for humidifying the oxidizing gas to prevent drying of the electrolyte membrane is unnecessary, or the humidification device can be downsized.
さらに、本実施例では、第1多孔質部50の気孔率をより大きくしており、酸化ガス流路形成部30においてガス拡散層13を備えるMEA12と接する凸部を含む表面全体を、このような第1多孔質部50によって形成している。そのため、電気化学反応が進行する触媒層への酸化ガスの拡散・供給を確保して、電池性能を向上させることができる。
Further, in this embodiment, the porosity of the first
なお、本実施例の燃料電池では、単セル内酸化ガス流路40を流れる酸化ガスの下流側に対応する領域にセル間冷却ガス流路を設け、上流側に対応する領域にセル間冷却水流路を設けている。単セル内酸化ガス流路40では、上流側ほど、酸化ガスにおける電極活物質濃度(酸素濃度)が高く電気化学反応がより活発であるため、温度上昇しやすい。このように、温度上昇しやすい領域を冷却するために、気体ではなく液体の冷媒を用いることで、燃料電池を効率よく冷却することが可能となる。
In the fuel cell of this embodiment, an inter-cell cooling gas flow path is provided in a region corresponding to the downstream side of the oxidizing gas flowing through the single-cell oxidizing
E.変形例:
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
E. Variation:
The present invention is not limited to the above-described examples and embodiments, and can be implemented in various modes without departing from the gist thereof. For example, the following modifications are possible.
E1.変形例1:
セパレータ20における第2多孔質部52および第1多孔質部50の配設位置を、実施例とは異ならせることとしても良い。実施例では、第1多孔質部50は酸化ガス流路形成部30の表面全体を構成し、第2多孔質部52は冷却ガス流路形成部34の表面全体を構成しているが、第1多孔質部50は酸化ガス流路形成部30の表面の少なくとも一部を構成し、第2多孔質部52は冷却ガス流路形成部34の表面の少なくとも一部を構成していればよい。単セル内酸化ガス流路とセル間冷却ガス流路との間では、第2多孔質部52を介してのみガスおよび水分のやり取りが可能であれば、ガスの混合を抑える同様の効果を得ることができる。
E1. Modification 1:
The arrangement positions of the second
また、実施例では、冷却ガス流路形成部34を酸化ガス流路形成部30における酸化ガス流れの下流側領域に設けたが、異なる領域、あるいはより広い領域に設けることとしても良い。例えば、気体による冷却だけで充分であれば、冷却水流路形成部32を設けることなくセパレータ20の全面に冷却ガス流路形成部34を設けることとしても良い。いずれの領域に冷却ガス流路形成部34を設けても、冷却ガス流路形成部の表面の少なくとも一部を構成するように第2多孔質部52を配設し、第1多孔質部50から水分を供給可能であれば、同様の効果を得ることができる。
Further, in the embodiment, the cooling gas flow
また、実施例では、第2多孔質部52を、冷却ガス流路形成部の表面を構成しない裏側全面において第1多孔質部50と接するように配設したが、異なる構成としても良い。第1多孔質部50から第2多孔質部52へと水分が移動可能であればよい
In the embodiment, the second
E2.変形例2:
実施例では、単セル内酸化ガス流路40とセル間冷却ガス流路との間に配設されるセパレータ20において、第2多孔質部52および第1多孔質部50を設けることとしたが、単セル内燃料ガス流路とセル間冷却ガス流路との間に配設されるセパレータ22において同様の多孔質部を設けることとしても良い。電気化学反応で利用する反応ガスである燃料ガスの流路において本発明を適用すれば、単セル内燃料ガス流路内の水分を冷却ガス流路側に排出することができると共に、燃料ガスと冷却ガスとが混合するのを抑えることができる。なお、この場合には、冷却ガスとしては、単セル内燃料ガス流路に供給する前の燃料ガスを用いることが望ましい。すなわち、排水の対象となる反応ガスと同種のガスを冷却ガスとして用いることが望ましい。
E2. Modification 2:
In the embodiment, the second
E3.変形例3:
実施例では、第1および第2多孔質部を利用して水分を除去する対象となる反応ガスと同種のガスを冷却ガスとして用いているが、異種のガスを冷却ガスとして用いても良い。この場合には、反応ガスに混入しても電気化学反応に影響を与えないガスを冷却ガスとして選択することが望ましい。また、冷却ガス圧を反応ガス圧よりも低くするならば、冷却ガスが反応ガスに混入するのを効果的に防止できる。
E3. Modification 3:
In the embodiment, the same kind of gas as the reaction gas from which moisture is removed using the first and second porous portions is used as the cooling gas, but a different gas may be used as the cooling gas. In this case, it is desirable to select a gas that does not affect the electrochemical reaction even if mixed in the reaction gas as the cooling gas. Further, if the cooling gas pressure is made lower than the reaction gas pressure, it is possible to effectively prevent the cooling gas from being mixed into the reaction gas.
E4.変形例4:
あるいは、セパレータ20とセパレータ22との両方に第1および第2多孔質部を設けることとしても良い。このような構成とすれば、単セル内酸化ガス流路40と単セル内燃料ガス流路42の両方において排水を行なうと共に、反応ガスの流出あるいは反応ガスへの冷却ガスの流入を抑える同様の効果を得ることができる。このとき、冷却ガス圧を、燃料ガス圧および酸化ガス圧よりも充分に低くすれば、燃料ガスと酸化ガスとが混じり合うことを確実に防止できる。
E4. Modification 4:
Alternatively, the first and second porous portions may be provided on both the
E5.変形例5:
実施例では、燃料電池は固体高分子型燃料電池としたが、異なる種類の燃料電池に適用することも可能である。セパレータを含む部材を積層して構成する燃料電池であって、発電中に反応ガス流路中の水分量が増加し、燃料電池を冷却するために冷却ガスを用いる燃料電池であれば、本発明を適用して同様の効果を得ることができる。
E5. Modification 5:
In the embodiment, the fuel cell is a polymer electrolyte fuel cell, but it can also be applied to different types of fuel cells. The present invention is a fuel cell configured by stacking members including a separator, the amount of water in the reaction gas channel being increased during power generation, and a fuel cell that uses a cooling gas to cool the fuel cell. The same effect can be obtained by applying.
10…単セル
12…MEA
13,14…ガス拡散層
15…接続流路
16…空気ポンプ
17…空気分岐路
18…流量調整弁
20,22…セパレータ
22a,22b…孔部
24a,24b…孔部
26a,26b…孔部
28a,28b…孔部
30…酸化ガス流路形成部
32,33…冷却水流路形成部
34,35…冷却ガス流路形成部
38…シール部材
40…単セル内酸化ガス流路
42…単セル内燃料ガス流路
44…酸化ガス供給マニホールド
46…酸化ガス排出マニホールド
50…第1多孔質部
52…第2多孔質部
53…水分授受領域
54…第3多孔質部
10 ...
DESCRIPTION OF
Claims (6)
電解質層と、
該電解質層に隣接するガスセパレータであって、
少なくとも一部が第1の多孔質部によって形成される第1の面と、
前記第1の多孔質部に比べて気孔率および/または気孔径が小さく、前記第1の多孔質部から水分を供給可能に配設された第2の多孔質部によって、少なくとも一部が形成される第2の面と、を有し、
前記第1の面において、電気化学反応で利用する反応ガスが流れる反応ガス流路を形成すると共に、前記第2の面において、冷却ガスが流れる冷却ガス流路を形成するガスセパレータと
を備える燃料電池。 A fuel cell,
An electrolyte layer;
A gas separator adjacent to the electrolyte layer,
A first surface at least partially formed by the first porous portion;
The porosity and / or the pore diameter is smaller than that of the first porous portion, and at least a part is formed by the second porous portion disposed so that moisture can be supplied from the first porous portion. A second surface, and
A fuel comprising: a gas separator that forms a reaction gas channel in which a reaction gas used in an electrochemical reaction flows in the first surface; and a gas separator that forms a cooling gas channel in which a cooling gas flows in the second surface. battery.
前記第1の多孔質部は、前記第1の面のうちの、前記反応ガス流路を形成する領域の少なくとも一部に配設され、
前記第2の多孔質部は、前記第2の面のうちの、前記冷却ガス流路を形成する領域の少なくとも一部に配設される
燃料電池。 The fuel cell according to claim 1, wherein
The first porous portion is disposed in at least a part of a region of the first surface that forms the reaction gas flow path,
The second porous portion is disposed in at least a part of a region of the second surface that forms the cooling gas passage.
前記冷却ガス流路と前記反応ガス流路とを接続し、前記冷却ガス流路を通過した冷却ガスを前記反応ガスとして前記反応ガス流路に導く接続流路をさらに備える
燃料電池。 The fuel cell according to claim 1 or 2,
A fuel cell further comprising: a connection channel that connects the cooling gas channel and the reaction gas channel and guides the cooling gas that has passed through the cooling gas channel to the reaction gas channel as the reaction gas.
前記反応ガス流路は、水素を含有する燃料ガスが通過する燃料ガス流路および/または酸素を含有する酸化ガス流路を形成する酸化ガス流路であり、
前記ガスセパレータを、前記燃料ガス流路および/または前記酸化ガス流路を形成するために用いている
燃料電池。 A fuel cell according to any one of claims 1 to 3,
The reaction gas channel is an oxidizing gas channel that forms a fuel gas channel through which a fuel gas containing hydrogen passes and / or an oxidizing gas channel containing oxygen,
The fuel cell uses the gas separator to form the fuel gas channel and / or the oxidizing gas channel.
前記第1の多孔質部および前記第2の多孔質部は、前記反応ガス流路から前記反応ガスが排出される排出部近傍に対応する領域に設けられている
燃料電池。 A fuel cell according to any one of claims 1 to 4,
The first porous portion and the second porous portion are provided in a region corresponding to a vicinity of a discharge portion where the reaction gas is discharged from the reaction gas flow path.
少なくとも一部が第1の多孔質部によって形成される第1の面と、
少なくとも一部が、前記第1の多孔質部に比べて気孔率および/または気孔径が小さく、前記第1の多孔質部から水分を供給可能に配設された第2の多孔質部によって形成される第2の面と
を備えるガスセパレータ。 A fuel cell gas separator that is laminated together with a member that forms an electrolyte layer and an electrode to form a fuel cell,
A first surface at least partially formed by the first porous portion;
At least a portion is formed by the second porous portion that is smaller in porosity and / or pore diameter than the first porous portion and is disposed so that moisture can be supplied from the first porous portion. A gas separator comprising: a second surface.
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