JP2006318823A - Fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、単位セルが平面上に配置された平面型の燃料電池に関する。 The present invention relates to a planar fuel cell in which unit cells are arranged on a plane.
図3は、このような平面型の燃料電池の基本構造の一例を示すものである。
図中符号1は、アノード側セパレータを、2は膜電極アセンブリを、3はカソード側セパレータを示す。
このものでは、アノード側セパレータ1とカソード側セパレータ3とで膜電極アセンブリ2を挟み込んだ構造となっている。
FIG. 3 shows an example of the basic structure of such a planar fuel cell.
In the figure,
In this structure, the
アノード側セパレータ1とカソード側セパレータ3とは、ほぼ同様の構造を有するもので、このセパレータ1(3)は、耐熱性の良好な合成樹脂、セラミックなどの絶縁材料からなる矩形の板状の絶縁枠板4と、この絶縁枠板4の一方の面に配置された5個の黒鉛、タンタル、チタンなどの金属からなる導電部5、5・・から概略構成されている。
The anode-
この導電部5は、いずれもその平面形状が矩形の板状となっており、絶縁枠板4に形成された凹部に埋められ、面一となっている。また、これら導電部5、5・・は、いずれも同一の平面形状を有しており、それぞれが図示のように分離されて配置されている。
また、絶縁枠板4には、ガス入口部とガス出口部とガス流路の一部が形成されており、すべての導電部5にもガス流路の残部が形成されているが、これについては、後述する。
Each of the
Further, the
膜電極アセンブリ2は、高分子電解質膜6と、この高分子電解質膜6の一方の面に間隔を介して配置された5個の矩形状のアノード電極7、7・・と、高分子電解質膜6の他方の面に上記アノード電極7と対応するように配置された矩形状の5個のカソード電極(図面では高分子電解質膜6の裏面側に存在し、描かれていない。)とから概略構成されている。
The
アノード電極7およびカソード電極は、ともに同様の構成を有するもので、例えばカーボンペーパにフッ素樹脂粉末を分散したスラリーを塗布し、この上に白金などの触媒微粉末を分散したスラリーを塗布して乾燥したフィルム状のものである。そして、このフィルムを所定の寸法に切断して高分子電解質膜6の両面に位置合わせをして配置し、加圧することで膜電極アセンブリ2が作製されるものである。
Both the anode electrode 7 and the cathode electrode have the same configuration. For example, a slurry in which a fluororesin powder is dispersed is applied to carbon paper, and a slurry in which a catalyst fine powder such as platinum is dispersed is applied thereon and dried. It is a film-like thing. Then, the
そして、このようなアノード側セパレータ1とカソード側セパレータ3との間に膜電極アセンブリ2を挟み込んだ際に、アノード側セパレータ1およびカソード側セパレータ3に配置した各導電部5、5・・と、膜電極アセンブリ2のアノード電極7またはカソード電極とがそれぞれ相対峙するようになっており、これにより5個の単セルが構成されるようになっている。この5個の単セルは、図示しない電気配線によって直列に接続されている。
When the
図4は、上記アノード側セパレータ1またはカソード側セパレータ3に形成された流路の一例を示すものである。
図4において、符号8はガス入口部を、9はガス出口部を示す。このガス入口部8とガス出口部9は、絶縁枠板4を貫通して形成される孔であって、燃料ガスまたは酸化剤ガスが流入するようになっている。
FIG. 4 shows an example of the flow path formed in the
In FIG. 4,
また、個々の導電部5の表面には、上記ガスの流路となる蛇行溝10が形成されている。さらに絶縁枠板4の表面には、各導電部5に形成された蛇行溝10を繋ぐ連結溝11、11・・が形成され、ガス入口部8またはガス出口部9と導電部5の蛇行溝10とを繋ぐ補助溝12、12も形成されている。
Further, meandering
さらに、これら蛇行溝10、連結溝11および補助溝12によって、ガス入口部8からガス出口部9に至る1本のガスの流路が形成されている。
なお、蛇行溝10は、図面では単純化して描いてあり、1個の導電部5において、3本以上の溝が連続して蛇行溝10を構成する形態であってもよい。
Further, the
Note that the
ここで説明の都合上、図4に描いた5個の導電部5、5・・のうち、ガス入口部8側に位置するものを1番目の導電部5−1とし、以下ガス出口部9に向けて順次2番目の導電部5−2、3番目の導電部5−3、4番目の導電部5−4、5番目の導電部5−5と呼ぶ。
Here, for convenience of explanation, among the five
このようなアノード側セパレータ1またはカソード側セパレータ3にあっては、ガス入口部8から燃料ガスまたは酸化剤ガスを上記溝10、11、12を経てガス出口部9に流し、膜電極アセンブリ2にこのガスを拡散させてゆくことになる。
In such an anode-
ところが、ガス入口部8から流入したガスは、1番目の導電部5−1の蛇行溝10を流れ、その際ガスの一部が膜電極アセンブリ2に拡散し、その有効成分の濃度が低下した状態となって、2番目の導電部5−2に流れ込み、ここでガスの有効成分の一部がさらに消費されて3番目の導電部5−3の蛇行溝10に流れ込む。このようにして、5番目の導電部5−5に流れ込んだガスは、その有効成分のかなりの部分が消費された状態となっている。
However, the gas flowing in from the
このように、個々の導電部5におけるガス中の有効成分の濃度が大きく異なることから、これに対応する単位セルの発電能力が異なると言う不都合が生じる。
このような不都合は、個々の導電部5の周囲にダムを設け、絶縁枠板4にも同様のダムを設け、導電部2全体にガスを接触させながら、1番目の導電部5−1から5番目の導電部5−5に順次ガスを流すタイプのセパレータでも同様に生じる。
平面型燃料電池に関する先行技術として、例えば以下のものが知られている。
Such an inconvenience is that a dam is provided around each
For example, the following are known as prior arts related to planar fuel cells.
よって、本発明における課題は、同一平面上に複数の単位セルを配置した構造を有する燃料電池において、個々の単位セルの発電性能のばらつきを抑えて、個々の単位セルの発電特性を均一化することにある。 Accordingly, an object of the present invention is to uniformize the power generation characteristics of individual unit cells in a fuel cell having a structure in which a plurality of unit cells are arranged on the same plane while suppressing variations in power generation performance of the individual unit cells. There is.
かかる課題を解決するために、
請求項1にかかる発明は、アノード側セパレータとカソード側セパレータとで膜電極アセンブリを挟んだ構造を備えた燃料電池であって、
上記アノード側セパレータまたはカソード側セパレータは、絶縁材料からなる絶縁枠板と、この絶縁枠板上に個々に分離して平面的に配置されたn個(nは2以上の整数である)の導電部と、上記絶縁枠板に形成されたガス入口部とガス出口部を備えており、
上記絶縁枠板および導電部には、燃料ガスまたは酸化剤ガスを流す流路が形成され、上記ガス入口部から流入したガスが、上記流路を経てガス出口部に流れるようになっており、
ガス入口部からのガスが1番目の導電部に流れ、ついで1番目の導電部から2番目の導電部に流れ、ついで2番目の導電部から3番目の導電部に流れ、以下同様にしてn番目の導電部に流れ、さらに折り返されてn番目の導電部からn−1番目の導電部に流れ、n−1番目の導電部からn−2番目の導電部に流れ、以下同様にして1番目の導電部に流れる往復流れが1回以上繰り返されて、ガス出口部に至るように、上記流路が形成されていることを特徴とする燃料電池である。
To solve this problem,
The invention according to
The anode-side separator or the cathode-side separator is composed of an insulating frame plate made of an insulating material and n pieces (n is an integer of 2 or more) conductively arranged separately on the insulating frame plate. A gas inlet portion and a gas outlet portion formed on the insulating frame plate,
The insulating frame plate and the conductive part are formed with a flow path for flowing a fuel gas or an oxidant gas, and the gas flowing in from the gas inlet part flows to the gas outlet part through the flow path,
Gas from the gas inlet flows to the first conductive portion, then from the first conductive portion to the second conductive portion, then from the second conductive portion to the third conductive portion, and so on. Flows from the nth conductive part to the (n-1) th conductive part, flows from the (n-1) th conductive part to the (n-2) th conductive part, and so on. The fuel cell is characterized in that the flow path is formed so that the reciprocating flow flowing through the second conductive portion is repeated one or more times to reach the gas outlet portion.
請求項2にかかる発明は、往復流れの折り返し位置が絶縁枠板に存在するようになされていることを特徴とする請求項1記載の燃料電池である。
The invention according to
本発明によれば、燃料ガスまたは酸化剤ガスが個々の導電部を横断的に流れ、この流れが繰り返されて流れるようになっているため、ガスの流れに伴ってガス中の有効成分の濃度が徐々に低下しても、個々の導電部での有効成分の平均的な濃度は、導電部間でほぼ同一となる。
このため、個々の単セル間での発電特性のばらつきの小さいものとなる。
According to the present invention, since the fuel gas or the oxidant gas flows transversely through the individual conductive portions and this flow is repeated, the concentration of the active ingredient in the gas with the gas flow Even if it gradually decreases, the average concentration of the active ingredients in the individual conductive portions is substantially the same between the conductive portions.
For this reason, the variation in power generation characteristics between individual single cells is small.
図1は、本発明の燃料電池におけるアノード側セパレータまたはカソード側セパレータの一例を示すもので、図4に示したものと同一構成部分には同一符号を付してその説明を省略する。 FIG. 1 shows an example of an anode-side separator or a cathode-side separator in the fuel cell of the present invention. The same components as those shown in FIG.
この例の1番目の導電部5−1と5番目の導電部5−5においては、これに形成された溝13は、その平面形状がコ字状となっており、このコ字状の部分が折り返し部14となっており、この折り返し部14が導電部5−1、5−5の長手方向に10個並んで形成されている。導電部5−1、5−5でのガス入口部8およびガス出口部9に直接繋がる溝13は直線状となっている。
In the first conductive portion 5-1 and the fifth conductive portion 5-5 in this example, the planar shape of the
また、2番目ないし4番目の導電部5−2、5−3、5−4では、これに形成された溝13は、導電部5を横断する直線状となっており、この溝13が21本所定の間隔を介して導電部5の長手方向に並んで形成されている。
さらに、絶縁枠板4の各導電部5間の部分には、導電部5に形成された多数の溝13、13・・をそれぞれ繋ぐ連結溝11、11・・が形成され、さらにはガス入口部8と1番目の導電部5−1の直線状の溝13とを繋ぐ補助溝12が形成され、ガス出口部9と5番目の導電部5−5の直線状の溝13とを繋ぐ補助溝12が形成されている。
In the second to fourth conductive portions 5-2, 5-3, and 5-4, the
Further, in the portion between the
そして、これら溝11、12、13は、図示のように、ガス入口部8からガス出口部9に向けて一筆書きのように連結されて1本の溝となっており、この溝がガスの流路となっている。
As shown in the figure, these
次にこの例のセパレータにおけるガスの流れについて説明する。
ガス入口部8からのガスは、補助溝12から1番目の導電部5−1の直線状の溝13に入り、1番目の導電部5−1を横断して連結溝11から2番目の導電部5−2の溝13に入り、以下同様にして5番目の導電部5−5の溝13に至り、ここの折り返し部14で折り返される。
Next, the gas flow in the separator of this example will be described.
The gas from the
さらに、5番目の導電部5−5の溝13から4番目の導電部5−4の溝13に流れ、以下同様にして1番目の導電部5−1に流れ、ここの折り返し部14で折り返される。
このように、1番目の導電部5−1から5番目の導電部5−5にかけて、これらの導電部を横断する往復の流れが繰り返されて、最終的に5番目の導電部5−5の溝13から補助溝12を通り、ガス出口部9に至ることになる。
Furthermore, it flows from the
In this way, the reciprocating flow across these conductive portions is repeated from the first conductive portion 5-1 to the fifth conductive portion 5-5, and finally the fifth conductive portion 5-5 The gas passes through the
このようにガスを流すことにより、ガスの流れに伴って、ガス中の有効成分が徐々に減少して行くが、ガスが1番目の導電部5−1から5番目の導電部5−5に横断的に次々に流れ、これが往復して9回繰り返されるため、導電部5の1個当たりにおけるガスの有効成分の濃度が平均化されることになる。
このため、各単セルでの発電能力のばらつきが小さいものとなる。
By flowing the gas in this way, the active component in the gas gradually decreases with the gas flow, but the gas moves from the first conductive portion 5-1 to the fifth conductive portion 5-5. Since the gas flows one after another and is repeated 9 times, the concentration of the active component of the gas per one
For this reason, the dispersion | variation in the electric power generation capability in each single cell becomes a small thing.
図2は、本発明におけるアノード側セパレータまたはカソード側セパレータの他の例を示すもので、この例では、溝13の折り返し点14が1番目の導電部5−1と5番目の導電部5−5の外方の絶縁枠体4に形成されているところが先の例と異なるところである。
FIG. 2 shows another example of the anode-side separator or the cathode-side separator in the present invention. In this example, the turn-
この例においては、1番目の導電部5−1および5番目の導電部5−5における溝13の形状が、これ以外の導電部5−2、5−3、5−4のそれとほぼ同一となっている。このため、導電部5の1個当たりの平均的なガス中の有効成分量がより均一となって、単セルの発電性能のばらつきがさらに小さいものとなる効果がある。
In this example, the shape of the
1・・アノード側セパレータ、2・・膜電極アセンブリ、3・・カソード側セパレータ、4・・絶縁枠板、5・・導電部、8・・ガス入口部、9・・ガス出口部、11・・連結溝、12・・補助溝、13・・溝、14・・折り返し部
1 .... Anode separator, 2 .... Membrane electrode assembly, 3 .... Cathode separator, 4 .... Insulating frame plate, 5 .... Conducting part, 8 .... Gas inlet, 9 .... Gas outlet, 11.・ Connecting groove, 12 ・ ・ Auxiliary groove, 13 ・ ・ Groove, 14 ・ ・ Folded part
Claims (2)
上記アノード側セパレータまたはカソード側セパレータは、絶縁材料からなる絶縁枠板と、この絶縁枠板上に個々に分離して平面的に配置されたn個(nは2以上の整数である)の導電部と、上記絶縁枠板に形成されたガス入口部とガス出口部を備えており、
上記絶縁枠板および導電部には、燃料ガスまたは酸化剤ガスを流す流路が形成され、上記ガス入口部から流入したガスが、上記流路を経てガス出口部に流れるようになっており、
ガス入口部からのガスが1番目の導電部に流れ、ついで1番目の導電部から2番目の導電部に流れ、ついで2番目の導電部から3番目の導電部に流れ、以下同様にしてn番目の導電部に流れ、さらに折り返されてn番目の導電部からn−1番目の導電部に流れ、n−1番目の導電部からn−2番目の導電部に流れ、以下同様にして1番目の導電部に流れる往復流れが1回以上繰り返されて、ガス出口部に至るように、上記流路が形成されていることを特徴とする燃料電池。 A fuel cell having a structure in which a membrane electrode assembly is sandwiched between an anode side separator and a cathode side separator,
The anode-side separator or the cathode-side separator is composed of an insulating frame plate made of an insulating material and n pieces (n is an integer of 2 or more) conductively arranged separately on the insulating frame plate. A gas inlet portion and a gas outlet portion formed on the insulating frame plate,
The insulating frame plate and the conductive part are formed with a flow path for flowing a fuel gas or an oxidant gas, and the gas flowing in from the gas inlet part flows to the gas outlet part through the flow path,
Gas from the gas inlet flows to the first conductive portion, then from the first conductive portion to the second conductive portion, then from the second conductive portion to the third conductive portion, and so on. Flows from the nth conductive part to the (n-1) th conductive part, flows from the (n-1) th conductive part to the (n-2) th conductive part, and so on. A fuel cell, wherein the flow path is formed so that the reciprocating flow flowing through the second conductive portion is repeated one or more times to reach the gas outlet portion.
2. The fuel cell according to claim 1, wherein the return position of the reciprocating flow is present in the insulating frame plate.
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- 2005-05-13 JP JP2005141706A patent/JP2006318823A/en active Pending
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