JP2005251699A - 燃料電池 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】燃料電池は、流される流体が注入および排出される入口および出口と膜電極接合体に面する面に設けられて上記入口と上記出口とを連通する流路とを有するセパレータが備えられた燃料電池において、上記セパレータの流路は、上記流体の流れる方向の上流領域と中流領域との一部に、流される流体の速度が一旦減少するように構成された低速流路部が設けられた。
【選択図】図1
Description
また、燃料流路溝の深さを漸次浅くすることにより流速が早められ、水滴の滞留による燃料の閉塞に起因する出力低下を防止するセパレータが開示されている。流速が早められることにより水滴が速やかに排出される効果が得られる(例えば、特許文献3参照。)。
図1は、この発明の実施の形態1に係わる酸化剤セパレータの酸化剤用流路溝が設けられた面の平面図である。図2は、図1のA−A断面における断面図である。図3は、図1のB−B断面における断面図である。
さらに、酸化剤セパレータ1の膜電極接合体に面する片面10に、酸化剤入口マニホールド2と酸化剤出口マニホールド5とを連通する酸化剤流路8が設けられている。
また、管路を流される流体の速度は、管路の断面積に反比例するので、上述のように流路溝の深さを深くすることにより、断面積が大きくなり、流速が遅くなる。この説明では、流路溝の深さを深くすることにより断面積を大きくしているが、流路溝の幅を大きくしてもよいし、両者を併せてもよい。
空気は、比較的低温で加湿不十分な状態で酸化剤入口マニホールド2から酸化剤流路8に流される。流路溝9a、9bの上流領域において、空気は温度が高くなり、湿度が低くなるが、酸素濃度が高いので、急激に反応が起こり、生成水と燃料側からプロトンに伴って搬送されてくる水とが一緒になり、空気中の水分が増えて飽和蒸気圧に達し、小さな水滴が生成される。空気の流速が早いとき、生じた小さな水滴がすみやかに流路溝9a、9bの中流領域に搬送される。
また、流路溝9bの下流領域では、小さな水滴がすでに蒸発して消費され、水滴の成長が制約されるので、成長した大きな水滴によって流路溝9bが閉塞されたり、フラッディングされたりする可能性が少なくなる。
また、小さな水滴は低速流路部17が設けられた上流領域や中流領域で消費され、水滴の大きさの成長を抑えることができるので、流路溝の下流領域での閉塞やフラッディングを効果的に防止することができる。
図4は、この発明の実施の形態2に係わる酸化剤セパレータの酸化剤用流路溝が設けられた面の平面図である。図5は、図4のA−A断面における断面図である。
実施の形態1の酸化剤セパレータ1は、流路溝の本数が2本で折り返し回数が2回であるが、実施形態2の酸化剤セパレータ20は、流路溝の本数が3本で折り返し回数が6回である。
各流路溝21a、21b、21cに設けられた低速流路部24の長さの合計が等しくなるようにしてある。
耐久試験では、運転温度が73℃、空気の加湿温度が65℃、燃料の加湿温度が65℃のもとにおいて昼夜連続運転して、特性を測定した。実施の形態2の燃料電池は比較例に比べて、セル電圧が50mVほど高くなり、寿命としての1000時間昼夜連続運転後のセル電圧の低下が比較例では20mV程度であるのに対して、実施の形態2では2mV程度であり、寿命が長くなる結果が得られた。
図6は、この発明の実施の形態3に係わる酸化剤セパレータの酸化剤用流路溝が設けられた面の平面図である。図7は、図6のA−A断面における断面図である。
実施の形態3のセパレータ30は、片面に酸化剤の流路溝31a、31b、31cが実施の形態2と同様に本数が3本および折り返し回数が6回からなるパターンを有して設けられ、他面に冷却水流路溝34が設けられている。各流路溝31a、31b、31cは、上流領域に属する2段目の流路溝片32bと中流領域に属する4段目の流路溝片32dに低速流路部33が設けられている。
また、他面の冷却水流路溝34は、酸化剤の2段目の流路溝片32bと4段目の流路溝片32dに対向する部分に低速流路部35が設けられている。
図8は、この発明の実施の形態4に係わる酸化剤セパレータの冷却水用流路溝が設けられた面の平面図である。図9は、図8のA−A断面における断面図である。
実施の形態4の固体高分子形燃料電池用セパレータ40は、一方の面に酸化剤用の流路溝が設けられ、他方の面に冷却水流路溝41a、41bが設けられている。この酸化剤用の流路溝は、実施の形態2と同様であり、説明は省略する。
冷却水流路溝41a、41bは、それぞれセパレータ40の2つに分けられた有効部分42a、42bに設けられている。一方の冷却水流路溝41aは、酸化剤用の流路溝の上流領域と中流領域とに対向する有効部分42aに設けられている。他方の冷却水流路溝41bは、酸化剤用の流路溝の中流領域と下流領域とに対向する有効部分42bに設けられている。酸化剤用の流路溝の下流領域に対向する冷却水流路溝41bに低速流路部43が設けられている。冷却水の低速流路部43では、冷却水の流速が遅くなると、その部分では、他の部分よりも多くの熱を取り去ることができる。
また、一方の冷却水流路溝41aにおける圧力損失が他方の冷却水流路溝41bより大きいので、冷却水流路溝41aに流れる冷却水流量が冷却水流路溝41bよりも少なくなる。そのため、酸化剤用の流路溝の上流領域および中流領域が設けられたセパレータの部分が冷やされる量が下流領域よりも小さいので、発熱量の少ない上流領域および中流領域と発熱量の多い下流領域との温度を均一に保つことができる。
また、酸化剤セパレータおよび燃料セパレータと別個に冷却水セパレータを酸化剤セパレータと燃料セパレータとの間に挿入してもよい。すなわち、冷却水セパレータは、片面に冷却水流路溝が設けられ、その冷却水流路溝のうち発熱量の大きな酸化剤流路溝の下流領域と重畳する位置に低速流路部が設けられるので、発熱量の多い膜電極接合体の部分をより強く冷却できるので、均一な温度に保つことができる。
Claims (5)
- 流される流体が注入および排出される入口および出口と膜電極接合体に面する面に設けられて上記入口と上記出口とを連通する流路とを有するセパレータが備えられた燃料電池において、
上記セパレータの流路は、
上記流体の流れる方向の上流領域と中流領域との一部に、流される流体の速度が一旦減少するように構成された低速流路部が設けられたことを特徴とする燃料電池。 - 上記流路は、少なくとも2箇所に上記低速流路部が設けられたことを特徴とする請求項1に記載する燃料電池。
- 上記流路は、複数の流路溝を有し、
上記複数の流路溝それぞれに設けられた上記低速流路部の長さの合計が同じであることを特徴とする請求項1または2に記載する燃料電池。 - 上記セパレータは、
流される冷却水が注入および排出される冷却水入口および冷却水出口と上記膜電極接合体に接する面の反対面に設けられて上記冷却水入口と上記冷却水出口とを連通する冷却水用流路溝とを有し、
上記冷却水用流路溝は、酸化剤が流される上記セパレータに設けられた上記流路の下流領域に重畳する領域に低速流路部が設けられたことを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載する燃料電池。 - 2つの上記セパレータにより挟持され、流される冷却水が注入および排出される冷却水入口および冷却水出口と上記冷却水入口と上記冷却水出口とを連通する冷却水流路溝とが設けられた冷却水セパレータを有し、
上記冷却水用流路溝は、酸化剤が流される上記セパレータに設けられた上記流路の下流領域に重畳する領域に低速流路部が設けられたことを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載する燃料電池。
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