JP2006032007A - Fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電解質膜の一方側にアノード側電極を、同他方側にカソード側電極をそれぞれ配置し、さらにその外側を一対のセパレータで挟んで構成した燃料電池に関する。 The present invention relates to a fuel cell in which an anode side electrode is disposed on one side of an electrolyte membrane, and a cathode side electrode is disposed on the other side, and the outside is sandwiched between a pair of separators.
燃料電池は、反応ガスである水素含有ガスなどの燃料ガスと、空気などの酸化剤ガスを電気化学的に反応させることにより、燃料の持つ化学エネルギを、直接電気エネルギに変換する装置であり、エネルギ効率を他のエネルギ機関と比べて高くできること、資源の枯渇問題を有する化石燃料を使う必要がないので排出ガスを発生しないなどの優れた特徴を有している。 A fuel cell is a device that converts the chemical energy of fuel directly into electrical energy by electrochemically reacting a fuel gas such as a hydrogen-containing gas that is a reactive gas with an oxidant gas such as air. It has excellent characteristics such as high energy efficiency compared to other energy engines and no generation of exhaust gas because there is no need to use fossil fuels that have a problem of resource depletion.
このような燃料電池は、アノード側電極と一方のセパレータとの間に燃料ガスである水素ガスを供給し、カソード側電極と他方のセパレータとの間に酸化剤ガスである空気を供給し、さらにセパレータの電極と反対側に冷却水を供給する。 Such a fuel cell supplies hydrogen gas as a fuel gas between the anode side electrode and one separator, supplies air as an oxidant gas between the cathode side electrode and the other separator, and Cooling water is supplied to the side of the separator opposite to the electrode.
したがって、この燃料電池は、燃料電池内部のいわゆる発電領域に、水素ガス、空気、冷却水の3流体を供給していることになる(例えば、下記特許文献1参照)。
従来の燃料電池では、上記したように、燃料電池内部の発電領域における、両面に電極を備えた電解質膜とセパレータの積層方向の異なる位置に、水素ガス、空気、冷却水の3流体を、それぞれ別々に供給しているので、3流体の分配構造が複雑化し、また積層厚さも厚くなって、燃料電池としての出力密度が低下するという問題がある。 In the conventional fuel cell, as described above, in the power generation region inside the fuel cell, the hydrogen gas, the air, and the cooling water are respectively supplied to the electrolyte membrane having electrodes on both sides and the separator in different stacking directions. Since the three fluids are supplied separately, the three-fluid distribution structure becomes complicated, and the thickness of the laminated layer also increases, resulting in a problem that the power density of the fuel cell decreases.
そこで、本発明は、3流体による分配構造の複雑化を防止するとともに、積層厚さを薄くして、燃料電池としての出力密度を向上させることを目的としている。 Accordingly, an object of the present invention is to prevent the distribution structure from being complicated by the three fluids and to reduce the stack thickness to improve the output density as a fuel cell.
本発明は、電解質膜の一方側にアノード側電極を、同他方側にカソード側電極をそれぞれ配置し、さらにその外側を一対のセパレータで挟んで構成した燃料電池において、前記各電極を備えた発電領域よりも外側に突出する冷却フィンを前記セパレータに設けたことを最も主要な特徴とする。 The present invention provides a fuel cell in which an anode side electrode is disposed on one side of an electrolyte membrane, a cathode side electrode is disposed on the other side, and the outside is sandwiched between a pair of separators. The main feature is that the separator is provided with cooling fins protruding outward from the region.
本発明によれば、電極を備えた発電領域よりも外側に突出する冷却フィンをセパレータに設けたので、発電領域には冷却媒体を供給する必要がなく、燃料ガスと酸化剤ガスの2流体のみを発電領域に供給すればよく、流体の分配構造が、3流体を発電領域に供給する場合に比較して簡素化し、積層厚さも薄くなって燃料電池としての出力密度が向上する。 According to the present invention, since the separator is provided with the cooling fins protruding outward from the power generation region provided with the electrodes, it is not necessary to supply the cooling medium to the power generation region, and only two fluids of fuel gas and oxidant gas are provided. The fluid distribution structure is simplified as compared with the case where three fluids are supplied to the power generation region, the stack thickness is reduced, and the output density of the fuel cell is improved.
以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は、本発明の一実施形態に係わる燃料電池の内部構造を示す斜視図で、図1中で紙面表側にはセパレータ1の空気流路面が見えている。図2(a)は、図1におけるセパレータ1の左側端部付近を拡大した正面図で、図2(b)は、セパレータ1と、両面に電極(一方の面にアノード側電極、他方の面にカソード側電極)を備えた固体高分子電解質膜3とを交互に積層した状態を図2(a)の上面から見た図に相当し、図2(c)は同積層した状態を図2(a)の右側から見た図に相当する。 FIG. 1 is a perspective view showing the internal structure of a fuel cell according to an embodiment of the present invention. In FIG. 1, the air flow path surface of the separator 1 is visible on the front side of the drawing. 2 (a) is an enlarged front view of the vicinity of the left end of the separator 1 in FIG. 1. FIG. 2 (b) shows the separator 1 and electrodes on both sides (an anode side electrode on one side and the other side). 2 corresponds to the view seen from the top of FIG. 2 (a), and FIG. 2 (c) shows the state of the same laminated state shown in FIG. It corresponds to the figure seen from the right side of (a).
図1ではセパレータ1と固体高分子電解質膜3とを矢印A方向に交互に積層し、その両端を図示しないエンドプレートで挟んで固定し、これにより単位電池を多数積層した燃料電池スタックを構成する。
In FIG. 1, separators 1 and solid
セパレータ1は、金属母材を金などの耐蝕皮膜で被覆したもの、ステンレス合金、チタン合金、樹脂とカーボンの混合体、あるいはこれらを組み合わせたものとし、図3にその全体を示すように、中央にて長方形に形成した空気流路面を備える発電領域5と、発電領域5の図3中で上下両側の冷却フィン7,9と、発電領域5の左右両側のマニホールド部11,13とを、それぞれ備えている。
The separator 1 is a metal base material coated with a corrosion-resistant film such as gold, a stainless alloy, a titanium alloy, a mixture of resin and carbon, or a combination thereof. As shown in FIG. A power generation region 5 having a rectangular air flow path surface, cooling
ここでのセパレータ1は、ステンレス合金などからなる金属製プレートを、図2(c)に示すように、発電領域5に対して凹凸状にプレス成形して図2(c)中で左側の一方の面の凹部を空気流路15とし、同右側の他方の面の凹部を水素流路17とする。
As shown in FIG. 2C, the separator 1 is formed by pressing a metal plate made of a stainless alloy or the like into a concavo-convex shape with respect to the power generation region 5 as shown in FIG. 2C. The concave portion on the other side is referred to as an
セパレータ1における冷却フィン7,9の発電領域5の近傍には、この発電領域5に沿って貫通孔7a,9aを形成する。
In the vicinity of the power generation region 5 of the
セパレータ1における一方のマニホールド部11は、図3中で上部側にてスタック積層方向に貫通する空気入口マニホールド11aと、図3中で下部側にてスタック積層方向に貫通する水素出口マニホールド11bとをそれぞれ備える。また、他方のマニホールド部13は、図3中で上部側にてスタック積層方向に貫通する水素入口マニホールド13aと、図3中で下部側にてスタック積層方向に貫通する空気出口マニホールド13bとをそれぞれ備える。
One
そして、このセパレータ1の図3中で紙面表側には、発電領域5とマニホールド部11,13とを含む図3中で左右方向に長い長方形部位全体の周囲と、水素出口マニホールド11bおよび水素入口マニホールド13aのそれぞれの周囲に、積層部材相互間のガスシール材として機能する樹脂モールド部19を、金属製プレートに一体成形している。
Then, on the front side of the sheet of FIG. 3 of this separator 1, the periphery of the entire rectangular portion that is long in the left-right direction in FIG. 3 including the power generation region 5 and the
これにより、空気入口マニホールド11aと空気流路15との間に、これら両者をつなぐ空気入口ガイド流路21を形成するとともに、空気流路15と空気出口マニホールド13bとの間に、これら両者をつなぐ空気出口ガイド流路23を形成する。
As a result, an air
同様にして、セパレータ1の図3中で紙面裏側には、発電領域5とマニホールド部11,13とを含む図3中で左右方向に長い長方形部位全体の周囲と、空気入口マニホールド11aおよび空気出口マニホールド13bのそれぞれの周囲に、積層部材相互間のガスシール材として機能する樹脂モールド部25(図2(b),(c)参照)を、金属製プレートに一体成形する。
Similarly, on the back side of the sheet of FIG. 3 of the separator 1, the periphery of the entire rectangular portion that is long in the left-right direction in FIG. 3 including the power generation region 5 and the
これにより、水素入口マニホールド13aと水素流路17との間に、これら両者をつなぐ図示しない水素入口ガイド流路を形成するとともに、水素流路17と水素出口マニホールド11bとの間に、これら両者をつなぐ図示しない水素出口ガイド流路を形成する。
As a result, a hydrogen inlet guide channel (not shown) that connects both of them is formed between the
そして、図1に示すように、上下の冷却フィン7,9の周囲をそれぞれ覆うように、上下の外部カバー27,29を設ける。外部カバー27,29は図1中で左右両端部27a,29aを、セパレータ1のマニホールド部11,13および固体高分子電解質膜3の各側面に接合固定し、冷却フィン7,9の発電領域5側を除く3方との間に、冷却媒体としての冷却水を供給する冷却水供給空間31,33をそれぞれ形成する。
Then, as shown in FIG. 1, upper and lower
冷却水供給空間31,33への冷却水の供給は、図4に示すように、燃料電池スタックの積層方向(図4中で左右方向)一方側に設けた増圧ポンプ35によって行う。増圧ポンプ35と冷却水供給空間31,33とは冷却水供給配管37で接続し、冷却水供給配管37の途中に設けた温度調整装置39によって冷却水の温度調整を行う。
As shown in FIG. 4, the cooling water is supplied to the cooling
また、燃料電池スタックの積層方向他方側においては、冷却水供給空間31,33に冷却水排出配管41を接続し、冷却水排出配管41の途中に背圧弁43を設置する。この背圧弁43と増圧ポンプ35とにより、冷却水に付与する圧力Poutを制御する。
Further, on the other side in the stacking direction of the fuel cell stack, a cooling
なお、外部カバー27,29の図4中で左右方向両端部は開口しており、この開口部を端板45,47によって塞ぎ、端板45,47にそれぞれ形成した貫通孔45a,47aに、前記した冷却水供給配管37,冷却水排出配管41をそれぞれ接続している。
Note that both ends in the left-right direction in FIG. 4 of the
上記した冷却水に付与する圧力Poutは、図4のB部を拡大して示した図5のように、燃料電池内部のガス圧力Pin(水素ガス圧力および空気ガス圧力)以上に設定する。 The pressure Pout applied to the cooling water is set to be equal to or higher than the gas pressure Pin (hydrogen gas pressure and air gas pressure) inside the fuel cell, as shown in FIG.
上記した燃料電池は、燃料ガスとして水素を水素流路17に供給するとともに、酸化剤ガスとして空気を空気流路15に供給し、これらが水素流路17および空気流路15に対応して配置される電極を備えた発電領域5にて反応して発電を行う。このとき、冷却水については、増圧ポンプ35によって、発電領域5よりも外側に突出する冷却フィン7,9を収容する冷却水供給空間31,33に、温度および圧力を制御した状態で供給する。
The fuel cell described above supplies hydrogen as a fuel gas to the
冷却水供給空間31,33に流入した冷却水は冷却フィン7,9を冷却し、発電領域5での発熱による温度上昇を抑える。冷却水は、冷却フィン7,9の貫通孔7a,9aにも入り込むので、冷却効果がより高まる。
The cooling water that has flowed into the cooling
このように、本実施形態の燃料電池によれば、発電領域5には冷却水を供給する必要がなく、水素ガスと空気の2流体のみを発電領域5に供給すればよく、このため流体の分配構造としては、冷却水を含む3流体を発電領域5に供給する場合に比較して簡素化し、スタック積層厚さも薄くなり、燃料電池としての出力密度が向上する。 Thus, according to the fuel cell of the present embodiment, it is not necessary to supply cooling water to the power generation region 5, and only two fluids, hydrogen gas and air, need to be supplied to the power generation region 5. The distribution structure is simplified as compared with the case where three fluids including cooling water are supplied to the power generation region 5, the stack stack thickness is also reduced, and the output density as a fuel cell is improved.
また、長方形状とした発電領域5の長辺部に対応して冷却フィン7,9を設けているので、発電領域5の短辺部に対応して冷却フィンを設けた場合に比較して、冷却フィンの面積を同等とした場合に発電領域5からの平均的な距離を短縮でき、冷却効率が向上する。
Moreover, since the
また、図5に示したように、冷却水に付与する圧力Poutを、燃料電池内部のガス圧力Pin以上に設定することで、シール機能を有する前記した樹脂モールド部19,25に外部から圧力を付与することになり、燃料電池内部の水素ガスおよび空気の漏れを防止してシール性を向上させることができる。
Further, as shown in FIG. 5, by setting the pressure Pout applied to the cooling water to be equal to or higher than the gas pressure Pin inside the fuel cell, the pressure is applied to the
なお、外部カバー27,29を廃止し、冷却フィン7,9を空気により直接冷却するようにしてもよい。また、樹脂モールド部19,25に代えて、シール材を別途設けるようにしてもよい。
The
本発明によれば、前記冷却フィンは、前記セパレータと一体化しているので、セパレータ製造時に、冷却フィンも同時に製造でき、別途冷却フィンを製造する場合に比較して、製造コストを低減できるとともに、部品点数が減少する。 According to the present invention, since the cooling fin is integrated with the separator, the cooling fin can be manufactured at the same time when the separator is manufactured, and the manufacturing cost can be reduced as compared with the case of separately manufacturing the cooling fin, The number of parts is reduced.
前記発電領域を長方形状とし、この長方形状の長辺部に対応する部位に前記冷却フィンを設けたので、短辺部に対応する部位に冷却フィンを設けた場合に比較して、冷却フィンの面積を同等とした場合に発電領域からの平均的な距離を短縮でき、冷却効率が向上する。 Since the power generation area is rectangular and the cooling fins are provided in the parts corresponding to the long side portions of the rectangular shape, compared to the case where the cooling fins are provided in the parts corresponding to the short side parts, When the areas are equal, the average distance from the power generation region can be shortened, and the cooling efficiency is improved.
前記冷却フィンの周囲を覆う外部カバーを設け、この外部カバー内に冷却媒体を供給するので、冷却フィンの冷却を効率よく行うことができる。 Since an external cover that covers the periphery of the cooling fin is provided and a cooling medium is supplied into the external cover, the cooling fin can be efficiently cooled.
前記外部カバー内に供給する冷却媒体の圧力を、燃料電池内部のガス圧力以上に設定したので、燃料電池内部のガス漏れを防止してシール性を向上させることができる。 Since the pressure of the cooling medium supplied into the external cover is set to be equal to or higher than the gas pressure inside the fuel cell, gas leakage inside the fuel cell can be prevented and the sealing performance can be improved.
1 セパレータ
3 固体高分子電解質膜
5 発電領域
7,9 冷却フィン
27,29 外部カバー
Pout 外部カバー内に供給する冷却媒体の圧力
Pin 燃料電池内部のガス圧力
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