JP2006331916A - Fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池の構造に関するものである。 The present invention relates to a structure of a fuel cell.
燃料電池は、電解質層とアノードとカソードとを有している。アノードには燃料ガス(例えば、水素ガス)が供給され、カソードには酸化ガス(例えば、酸素を含む空気)が供給される。また、燃料電池のアノード側とカソード側とには、例えば、ガスを拡散させて電極に供給するためのガス拡散層と、ガス拡散層に接するガス流路と、が設けられる場合がある。ここで、ガス拡散層内でのガスの流れの均一化を図るために、ガス流路を形成する隔壁(リブとも呼ぶ)を斜めに加工する方法が提案されている(例えば、特許文献1参照)。 The fuel cell has an electrolyte layer, an anode, and a cathode. A fuel gas (for example, hydrogen gas) is supplied to the anode, and an oxidizing gas (for example, air containing oxygen) is supplied to the cathode. In addition, for example, a gas diffusion layer for diffusing gas to be supplied to the electrode and a gas flow path in contact with the gas diffusion layer may be provided on the anode side and the cathode side of the fuel cell. Here, in order to make the gas flow uniform in the gas diffusion layer, a method has been proposed in which the partition walls (also referred to as ribs) forming the gas flow paths are obliquely processed (see, for example, Patent Document 1). ).
ところで、ガス拡散層に水が蓄積する場合がある。ガス拡散層に蓄積する水としては、電気化学反応によって生成された水や、電極に供給されたガスに含まれていた水分や、反対側の電極から電解質層を介して移動してきた水などがある。ガス拡散層に蓄積した水は、ガスの流れによって下流側へ移動する。すると、電極における局所的な水分量のバラツキが大きくなる場合がある。 By the way, water may accumulate in the gas diffusion layer. Examples of the water accumulated in the gas diffusion layer include water generated by electrochemical reaction, water contained in the gas supplied to the electrode, and water moved from the opposite electrode through the electrolyte layer. is there. The water accumulated in the gas diffusion layer moves downstream by the gas flow. Then, the variation in the local water content in the electrode may increase.
ここで、アノードとカソードとの、局所的な水分量が比較的多い領域同士や、局所的な水分量が比較的少ない領域同士が、電解質層を挟んで対向すると、電極における局所的な発電量のバラツキも大きくなる場合が多かった。例えば、電解質層として固体高分子電解質層を採用する場合を考える。固体高分子電解質層では、水素イオンの導伝率は、電解質膜の含水率が低下すると低下する。ここで、アノードとカソードとの、局所的な水分量が多い領域同士や、局所的な水分量が少ない領域同士が、電解質層を挟んで対向すると、電解質層の局所的な含水率のバラツキが大きくなり、その結果、局所的な発電量のバラツキも大きくなる場合があった。 Here, if the regions of the anode and the cathode that have a relatively large amount of local moisture or regions that have a relatively small amount of local moisture face each other across the electrolyte layer, the amount of local power generation at the electrode There were many cases where the variation of the size also increased. For example, consider a case where a solid polymer electrolyte layer is employed as the electrolyte layer. In the solid polymer electrolyte layer, the conductivity of hydrogen ions decreases as the water content of the electrolyte membrane decreases. Here, when the regions of the anode and the cathode having a large amount of local moisture or the regions having a small amount of local moisture are opposed to each other with the electrolyte layer interposed therebetween, there is a variation in the local moisture content of the electrolyte layer. As a result, local variations in power generation amount may increase.
なお、このような、アノードとカソードとにおける局所的な水分量のバラツキによって、局所的な発電量のバラツキが大きくなるという問題は、固体高分子電解質を用いた燃料電池に限らず、他の電解質を用いた燃料電池にも共通する問題であった。 In addition, the problem that the variation in local power generation amount due to the variation in the local water amount between the anode and the cathode is not limited to the fuel cell using the solid polymer electrolyte, but other electrolytes. It was a problem common to fuel cells using
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、電極における局所的な発電量のバラツキが大きくなることを抑制する技術を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described conventional problems, and an object of the present invention is to provide a technique for suppressing an increase in local variation in the amount of power generation in an electrode.
上記課題の少なくとも一部を解決するために、この発明における燃料電池は、電解質層と、前記電解質層を挟むように配置されたアノード電極とカソード電極と、前記電解質層と前記各電極とを挟むように配置されたアノード側セパレータとカソード側セパレータと、前記アノード電極と前記アノード側セパレータとの間に配置されたアノード側ガス拡散層と、前記アノード側ガス拡散層と前記アノード側セパレータとの間に配置されたアノード側流路形成層と、前記カソード電極と前記カソード側セパレータとの間に配置されたカソード側ガス拡散層と、前記カソード側ガス拡散層と前記カソード側セパレータとの間に配置されたカソード側流路形成層と、を備え、前記アノード側流路形成層と前記カソード側流路形成層とのそれぞれは、前記ガス拡散層に面して形成され、前記電極毎に定められたガスが流入する第1流路と、前記ガス拡散層に面して形成され、前記ガスを排出する第2流路と、前記ガス拡散層に接するとともに前記第1流路と前記第2流路とを隔てる隔壁と、を有し、前記第1流路の下流側と前記第2流路の上流側とのそれぞれは前記隔壁によって閉塞されており、前記アノード側の第1流路と前記カソード側の第2流路とは、前記電解質層を挟んで対向するように構成され、前記アノード側の第2流路と前記カソード側の第1流路とは、前記電解質層を挟んで対向するように構成されている。 In order to solve at least a part of the above problems, a fuel cell according to the present invention sandwiches an electrolyte layer, an anode electrode and a cathode electrode arranged so as to sandwich the electrolyte layer, and the electrolyte layer and each electrode. The anode-side separator and the cathode-side separator, the anode-side gas diffusion layer arranged between the anode electrode and the anode-side separator, and the anode-side gas diffusion layer and the anode-side separator. An anode-side flow path forming layer disposed between the cathode electrode and the cathode-side separator, and a cathode-side gas diffusion layer disposed between the cathode-side gas diffusion layer and the cathode-side separator. Each of the anode-side flow path forming layer and the cathode-side flow path forming layer includes: A first flow path that faces the gas diffusion layer and into which a gas defined for each electrode flows; a second flow path that faces the gas diffusion layer and discharges the gas; A partition that contacts the gas diffusion layer and separates the first flow path and the second flow path, and each of the downstream side of the first flow path and the upstream side of the second flow path is the The anode-side first flow path and the cathode-side second flow path are configured to face each other with the electrolyte layer interposed therebetween, and the anode-side second flow path is The first flow path on the cathode side is configured so as to face the first electrolyte layer.
この燃料電池によれば、ガス拡散層の隔壁下におけるガスの流れる向きを、アノード側とカソード側とで逆向きとすることができるので、ガス拡散層の隔壁下における水が蓄積されやすい下流側の領域の位置に関しては、アノード側の下流側領域位置とカソード側の下流側領域位置とが、電解質層を挟んで対向する位置からずれる位置に配置されることとなる。この結果、ガス拡散層における、局所的な水分量の多い領域同士や、局所的な水分量の少ない領域同士が、電解質層を挟んで対向することが抑制されるので、電極における局所的な発電量のバラツキが大きくなることを抑制することが可能となる。 According to this fuel cell, the flow direction of the gas under the partition wall of the gas diffusion layer can be reversed between the anode side and the cathode side. With respect to the position of this area, the position of the downstream area on the anode side and the position of the downstream area on the cathode side are arranged at positions shifted from positions facing each other with the electrolyte layer interposed therebetween. As a result, it is possible to prevent the regions having a large amount of local moisture and the regions having a small amount of local moisture from facing each other across the electrolyte layer in the gas diffusion layer. It becomes possible to suppress an increase in the amount of variation.
上記燃料電池において、前記各層の重なる方向に沿って見たときに、互いに重なる前記アノード側の第1流路と前記カソード側の第2流路とのそれぞれにおけるガスの流れる向きは互いに逆向きであり、互いに重なる前記アノード側の第2流路と前記カソード側の第1流路とのそれぞれにおけるガスの流れる向きは互いに逆向きであることが好ましい。 In the fuel cell, the gas flow directions in the anode-side first flow path and the cathode-side second flow path that overlap each other are opposite to each other when viewed along the overlapping direction of the layers. In addition, it is preferable that the gas flows in the anode-side second flow path and the cathode-side first flow path that overlap each other in opposite directions.
この構成によれば、電解質層を挟んで対向するガス流路ペアにおけるガスの流れの向きが互いに逆向きとなるので、ガス拡散層のガス流路下の領域内においても、水分量の多い領域同士や水分量の少ない領域同士が、電解質層を挟んで対向することが抑制される。その結果、電極における局所的な発電量のバラツキが大きくなることを、さらに、抑制することが可能となる。 According to this configuration, the gas flow directions in the gas flow path pairs facing each other with the electrolyte layer interposed therebetween are opposite to each other. Therefore, even in the area under the gas flow path of the gas diffusion layer, the area having a large amount of moisture It is possible to prevent the regions having a small amount of water from facing each other across the electrolyte layer. As a result, it is possible to further suppress the local variation in the amount of power generation at the electrode.
上記燃料電池において、前記アノード側の前記流路形成層の一端部は、前記アノード側の第1流路の流入開口を有し、前記カソード側の前記流路形成層の一端部は、前記カソード側の第2流路の排出開口を有し、前記各層の重なる方向に沿って見たときに、前記アノード側の流路形成層の前記流入開口が設けられた端部は、前記カソード側の流路形成層の前記排出開口が設けられた端部と同じ側に位置していることが好ましい。 In the fuel cell, one end of the flow path forming layer on the anode side has an inflow opening of the first flow path on the anode side, and one end of the flow path forming layer on the cathode side is the cathode. The second flow passage on the side of the anode has a discharge opening, and when viewed along the direction in which the layers overlap, the end of the flow passage forming layer on the anode side provided with the inflow opening is on the cathode side. It is preferable that the flow path forming layer is located on the same side as the end provided with the discharge opening.
この構成によれば、アノード側の第1流路の流入用開口と、カソード側の第2流路の排出用開口とが、同じ側に位置するので、電解質層を挟んで対向するアノード側の第1流路とカソード側の第2流路とのそれぞれにおけるガスの流れの向きを逆向きにするために、アノード側とカソード側とのそれぞれの流路形成層の構造が過剰に複雑化することを防止できる。 According to this configuration, since the inflow opening of the first flow path on the anode side and the discharge opening of the second flow path on the cathode side are located on the same side, the anode side facing each other with the electrolyte layer interposed therebetween In order to reverse the direction of gas flow in each of the first flow path and the second flow path on the cathode side, the structures of the flow path forming layers on the anode side and the cathode side are excessively complicated. Can be prevented.
上記各燃料電池において、前記アノード側流路形成層と前記カソード側流路形成層とのそれぞれにおいて、前記第1流路と前記第2流路とは並走するように形成されており、前記隔壁は、並走する前記第1流路と前記第2流路とに挟まれる主壁を含み、前記主壁の幅の平均値は、前記主壁に隣接する前記第1流路の幅の平均値と、前記主壁に隣接する前記第2流路の幅の平均値と、のいずれよりも広い値に設定されていることが好ましい。 In each of the fuel cells, in each of the anode-side channel forming layer and the cathode-side channel forming layer, the first channel and the second channel are formed to run in parallel, The partition includes a main wall sandwiched between the first flow path and the second flow path that run in parallel, and an average value of the width of the main wall is equal to a width of the first flow path adjacent to the main wall. It is preferable that the average value and the average value of the width of the second flow path adjacent to the main wall are set to a value wider than both.
この構成によれば、ガス拡散層における、主壁下の領域を、ガス流路下の領域よりも広くすることができるので、ガス拡散層によるガスの拡散をより効果的なものとすることができる。 According to this configuration, since the region under the main wall in the gas diffusion layer can be made wider than the region under the gas flow path, the gas diffusion by the gas diffusion layer can be made more effective. it can.
上記各燃料電池において、前記電解質層は、固体高分子電解質を用いて形成されていることとしてもよい。 In each fuel cell, the electrolyte layer may be formed using a solid polymer electrolyte.
この構成によれば、電解質層における局所的な含水率のバラツキが大きくなることが抑制されるので、電極における局所的な発電量のバラツキが大きくなることを抑制することが可能となる。 According to this configuration, it is possible to suppress an increase in local water content variation in the electrolyte layer, and thus it is possible to suppress an increase in local power generation variation in the electrode.
なお、この発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池、この燃料電池を駆動用電源として搭載する車両、等の形態で実現することができる。 The present invention can be realized in various forms. For example, the invention can be realized in the form of a fuel cell, a vehicle on which the fuel cell is mounted as a driving power source, and the like.
以下、本発明の実施の形態について、実施例に基づき以下の順序で説明する。
A.第1実施例:
B.第2実施例:
C.変形例:
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in the following order based on examples.
A. First embodiment:
B. Second embodiment:
C. Variations:
A.第1実施例:
図1は、本発明の一実施例としての燃料電池100(「単セル100」とも呼ぶ)の構造を示す斜視図である。この単セル100は、電解質膜30と、電解質膜30の両側に接した状態で設けられるアノードアセンブリ70およびカソードアセンブリ80と、を有している。電解質膜30は、例えば、固体高分子電解質で形成されている。
A. First embodiment:
FIG. 1 is a perspective view showing the structure of a fuel cell 100 (also referred to as “
アノードアセンブリ70は、電解質膜30に接して設けられるアノード触媒層20(アノード側の電極に相当する。以下「アノード電極20」とも呼ぶ)と、アノード触媒層20に接して設けられるアノード拡散層10と、アノード拡散層10に接して設けられるセパレータ60と、を有している。同様に、カソードアセンブリ80は、電解質膜30に接して設けられるカソード触媒層40(カソード側の電極に相当する。以下「カソード電極40」とも呼ぶ)と、カソード触媒層40に接して設けられるカソード拡散層50と、カソード拡散層50に接して設けられるセパレータ60と、を有している。
The
アノード触媒層20とカソード触媒層40とは、触媒を含み導電性の良好な材料で形成されており、例えば、触媒としての白金を担持したカーボン粉と、電解質膜30に用いられる電解質とを混ぜた樹脂を、膜状に成形したものが用いられる。
The
アノード拡散層10とカソード拡散層50とは、ガス拡散性と導電性とが良好な材料で形成されており、例えば、カーボンクロス、カーボンペーパ、カーボンフェルトが用いられる。
The
セパレータ60は、単セル100を積層する際に、アノード拡散層10とカソード拡散層50との間に挟まれる。また、セパレータ60は、アノード拡散層10と接する面に複数の溝を有している(図示省略)。セパレータ60がアノード拡散層10と接すると、この溝は、燃料ガス(例えば、水素ガス)の流れるガス流路を形成する(詳細は後述)。同様に、セパレータ60は、カソード拡散層50と接する面に複数の溝を有している(図示省略)。セパレータ60がカソード拡散層50と接すると、この溝は、酸化ガス(例えば、酸素を含む空気)の流れるガス流路を形成する(詳細は後述)。なお、セパレータ60は、水素透過性が低く導電性の良好な材料で形成されており、例えば、樹脂に導電材料を混入して成形したものが用いられる。なお、セパレータ60のアノード拡散層10に接する面は、本発明における「アノード側の流路形成層」に相当する。また、セパレータ60のカソード拡散層50に接する面は、本発明における「カソード側の流路形成層」に相当する。
The
なお、図1の「z方向」は、1つの単セル100内のアノード拡散層10からカソード拡散層50へ向かう積層方向を示している。また、「x方向」は、z方向と垂直な方向を示し、「y方向」は、x方向とz方向とのそれぞれと垂直な方向を示している。
The “z direction” in FIG. 1 indicates the stacking direction from the
図2は、単セル100をx方向に沿って見た断面図である。セパレータ60のアノード拡散層10と接する面には、第1溝251と第2溝252とが交互に設けられている。各溝251、252は、主壁222で隔てられている。白抜きの矢印は、アノード拡散層10における燃料ガスの流れを示している。燃料ガスは、第1溝251からアノード拡散層10を介して第2溝252へ流れる(詳細は後述)。
FIG. 2 is a cross-sectional view of the
また、セパレータ60のカソード拡散層50と接する面には、第1溝351と第2溝352とが交互に設けられている。各溝351、352は、主壁322で隔てられている。ハッチングの付された矢印は、カソード拡散層50における酸化ガスの流れを示している。酸化ガスは、第1溝351からカソード拡散層50を介して第2溝352へ流れる(詳細は後述)。
Further, the
なお、図2では、上側のセパレータ60のカソード側(アノード拡散層10に接する側とは反対側)の図示が省略されており、下側のセパレータ60のアノード側(カソード拡散層50に接する側とは反対側)の図示が省略されている。また、左右(y方向に沿った方向)の端部の図示も省略されている。 2, illustration of the cathode side of the upper separator 60 (the side opposite to the side in contact with the anode diffusion layer 10) is omitted, and the anode side of the lower separator 60 (side in contact with the cathode diffusion layer 50). The illustration on the opposite side) is omitted. Further, illustration of the left and right (directions along the y direction) ends is also omitted.
図3は、図2のIII-III断面である。図3は、セパレータ60のアノード側をz方向とは逆の方向に沿って見た断面図であり、セパレータ60のアノード側の溝の形状を示している。セパレータ60は、内壁220と、外壁240と、を有している。なお、II-II線は、図2の断面の位置を示している。
FIG. 3 is a III-III cross section of FIG. FIG. 3 is a cross-sectional view of the anode side of the
外壁240は、矩形状のセパレータ60の周囲を囲むように形成されている。セパレータ60の左側(x方向の逆方向)の端部の外壁240には、流入開口262が設けられ、右側(x方向)の端部の外壁240には、排出開口264が設けられている。流入開口262には、燃料ガスが供給され、排出開口264からは、排ガスが排出される。
The
内壁220は、矩形波形状が周期的に繰り返されるパターン形状を有している。また、内壁220は、セパレータ60の上側(y方向)の端部の外壁240から下側(y方向の逆方向)の端部の外壁240へ至るように形成されている。その結果、流入開口262と排出開口264とは、内壁220によって隔てられることとなる。
The
内壁220は、複数の(図3の例では4つ)折り返し壁228と、複数の(図3の例では5つ)主壁222と、突出壁224、226と、を有している。折り返し壁228は、矩形波形状の山の部分と谷の部分とを構成する。主壁222は、矩形波形状の山と谷とを接続する部分を構成する。突出壁224は、上側の外壁240と、最も上に位置する主壁222とを接続し、突出壁226は、下側の外壁240と、最も下に位置する主壁222とを接続する。
The
各主壁222は、左右(x方向)に沿って延びる直線形状を有しており、y方向に等間隔に並んでいる。また、各主壁222は互いに平行に並んでいる。各主壁222の一方の側には第1溝251が形成され、他方の側には第2溝252が形成される。すなわち、主壁222は、平行に形成された第1溝251と第2溝252とに挟まれることとなる。また、第1溝251と第2溝252とは、主壁222を挟んで1つずつ交互に並ぶこととなる。
Each
各第1溝251の右側(x方向)の端部は、折り返し壁228と突出壁226とのいずれかによって塞がれている。左側(x方向の逆方向)の端部には、流入開口262と連通する第1開口251oが形成されている。
An end portion on the right side (x direction) of each
一方、各第2溝252の左側(x方向の逆方向)の端部は、折り返し壁228と突出壁224とのいずれかによって塞がれている。右側(x方向)の端部には、排出開口264と連通する第2開口252oが形成されている。
On the other hand, the left end (opposite direction of the x direction) of each
以上のように、第1溝251と第2溝252とは内壁220によって仕切られている。従って、第1溝251と第2溝252との間では、ガスは直接には移動することができない。その結果、流入開口262から供給された燃料ガスは、各第1溝251を介して、アノード拡散層10へ供給される。また、アノード拡散層10を流れる排ガスは、各第2溝252を介して、排出開口264へ排出される。すなわち、ガスは、第1溝251から第2溝252へ、アノード拡散層10の主壁222下の部分を介して流れる。図3中の白抜きの矢印は、アノード拡散層10の主壁222下の部分におけるガスの流れの向きを示している。以下、第1溝251のことを「第1アノード流路251」とも呼ぶ。また、第2溝252のことを「第2アノード流路252」とも呼ぶ。
As described above, the
なお、図3では、外壁240と、突出壁224と、主壁222と、突出壁226と、のそれぞれに異なる種類のハッチングが付されているが、これらは、同一の材料で連続した壁として形成されている。
In FIG. 3, the
図4は、図2のIV-IV断面である。図4は、セパレータ60のカソード側をz方向とは逆の方向に沿って見た断面図であり、セパレータ60のカソード側の溝の形状を示している。セパレータ60は、内壁320と、外壁340と、を有している。なお、II-II線は、図2の断面の位置を示している。
4 is a cross-sectional view taken along the line IV-IV in FIG. FIG. 4 is a cross-sectional view of the cathode side of the
外壁340の形状は、図3のアノード側の外壁240の形状と同一である。また、内壁320は、図3のアノード側の内壁220を左右反転させた形状と同一の形状を有している。その結果、図3のアノード側と同様に、各主壁322は、平行に形成された第1溝351と第2溝352とに挟まれることとなる。また、第1溝351と第2溝352とは、主壁322を挟んで交互に並ぶ。なお、第1溝351と第2溝352とは、内壁320によって仕切られている。
The shape of the
各第1溝351の右側(x方向)の端部は、折り返し壁328と突出壁324とのいずれかによって塞がれている。左側(x方向の逆方向)の端部には、流入開口362と連通する第1開口351oが形成されている。
An end portion on the right side (x direction) of each
一方、各第2溝352の左側(x方向の逆方向)の端部は、折り返し壁328と突出壁326とのいずれかによって塞がれている。右側(x方向)の端部には、排出開口364に連通する第2開口352oが形成されている。
On the other hand, the left end (opposite direction in the x direction) of each
流入開口362から供給された酸化ガスは、各第1溝351を介して、カソード拡散層50へ供給される。カソード拡散層50を流れる排ガスは、各第2溝352を介して、排出開口364へ排出される。すなわち、ガスは、第1溝351から第2溝352へ、カソード拡散層50の主壁322下の部分を介して流れる。図4中のハッチングを付した矢印は、カソード拡散層50の主壁322下の部分におけるガスの流れの向きを示している。以下、第1溝351のことを「第1カソード流路351」とも呼ぶ。また、第2溝352のことを「第2カソード流路352」とも呼ぶ。
The oxidizing gas supplied from the
図5は、単セル100をz方向とは逆の方向に沿ってみた透視図である。図5には、セパレータ60のアノード側(図3の断面図)とカソード側(図4の断面図)とが重ねて示されている。図中の白抜きの矢印は、アノード拡散層10におけるガスの流れの向きを示している。ハッチングの付された矢印は、カソード拡散層50におけるガスの流れの向きを示している。また、図5では、左右(x方向に沿った方向)の端部の図示が省略されている。
FIG. 5 is a perspective view of the
図5の例では、アノード側の主壁222とカソード側の主壁322とが重なっている。また、第1アノード流路251と第2カソード流路352とが重なり、第2アノード流路252と第1カソード流路351とが重なっている。その結果、各拡散層10、50において、電解質膜30を挟んで対向する(重なる)主壁222、322下を流れるガスの流れの向きは、アノード側とカソード側とで逆向きとなる。
In the example of FIG. 5, the anode-side
ところで、カソード電極20では、電気化学反応によって水が生成される。生成された水の一部は、カソード拡散層50内に蓄積される。蓄積された水は、カソード拡散層50内を、ガスの流れによって下流側に移動する。従って、カソード拡散層50内の主壁322下における水分量は、下流側の第2カソード流路352に近いほど多くなる傾向にある。
By the way, in the
一方、アノード拡散層10内にも水が蓄積される。このような水としては、アノード拡散層10に供給されたガスに含まれる水分や、カソードアセンブリ80から電解質膜30を介してアノードアセンブリ70に移動してきた水などがある。蓄積された水は、アノード拡散層10内を、ガスの流れによって下流側に移動する。従って、アノード拡散層10内の主壁222下における水分量は、下流側の第2アノード流路252に近いほど多くなる傾向にある。
On the other hand, water is also accumulated in the
ここで、第1実施例の単セル100は、以下のような種々の特徴と利点とを有している。第1の特徴点は、電解質膜30を挟んで対向する主壁222、322(図2、図5)に隣接するガス流路の配置が、供給流路(第1アノード流路251と第1カソード流路351)と排出流路(第2アノード流路252と第2カソード流路352)とが電解質膜30を挟んで対向するように設定されている点である。その結果、各拡散層10、50において、互いに対向する主壁222、322下を流れるガスの流れの向きは、アノード側とカソード側とで逆向きとなる。従って、主壁222、322下における局所的な水分量の偏りの傾向は、アノード側とカソード側とで逆となる。具体的には、アノード拡散層10の水分量の比較的多い領域(図2:第2領域A2)とカソード拡散層50の水分量の比較的少ない領域(図2:第1領域C1)とが、電解質膜30を挟んで対向する。同様に、アノード拡散層10の水分量の比較的少ない領域(図2:第1領域A1)とカソード拡散層50の水分量の比較的多い領域(図2:第2領域C2)とが、電解質膜30を挟んで対向する。すなわち、アノード側の局所的な水分量の分布と、カソード側の局所的な水分量の分布との、バランスをとることが可能となる。
Here, the
ところで、第1実施例では、電解質膜30として固体高分子電解質膜が用いられている。固体高分子電解質膜の水素イオンの導伝率は、電解質膜の含水率が低下すると低下する。従って、電解質膜30の含水率が小さくなると、発電効率も低下するおそれがある。ところが、第1実施例では、上述したように、アノード側とカソード側とのそれぞれの水分量が比較的少ない第1領域A1、C1の向かい側には、水分量が比較的多い第2領域A2、C2が位置する。すると、比較的水分量が少ない第1領域A1、C1に面した電解質膜30の部分領域は、反対側の電極の比較的水分量が多い第2領域A2、C2から水分の供給を受けることが可能となる。従って、第1実施例の単セル100では、電解質膜30の局所的な含水率のバラツキが大きくなることが抑制される。その結果、第1実施例の単セル100には、電極20、40における局所的な発電量(電流密度)のバラツキが大きくなることを抑制できるという利点がある。
By the way, in the first embodiment, a solid polymer electrolyte membrane is used as the
また、一般に、燃料電池では、仮に、電極20、40における局所的な発電量のバラツキが大きくなると、燃料電池全体の発電効率も低下するおそれがある。また、電気化学反応が電極20、40(単セル100)の一部の領域に集中するので、各アセンブリ70、80と電解質膜30との、一部の領域の劣化が進みやすくなり、その結果、単セル100の耐久性が低下するおそれもある。第1実施例では、上述したように電極20、40における局所的な発電量のバラツキが大きくなることが抑制されるので、このような問題が生じることを抑制できる。
In general, in a fuel cell, if the variation in local power generation amount at the
また、燃料電池の電極とガス拡散層では、一部の領域に過剰な水が蓄積すると、その一部の領域の劣化が進みやすくなり、その結果、単セル100の耐久性が低下するおそれもある。第1実施例では、上述したように、アノード側の第2領域A2の位置と、カソード側の第2領域C2の位置とは、電解質膜30を挟む対向位置からずれる位置に配置されるので、このような問題が生じることを抑制できる。
In addition, in the fuel cell electrode and gas diffusion layer, if excessive water accumulates in a part of the region, the part of the region is likely to deteriorate, and as a result, the durability of the
第2の特徴点は、主壁222の幅W222(図2)が、第1アノード流路251の幅W251と、第2アノード流路252の幅W252と、のいずれよりも大きい点である。この構成により、アノード拡散層10内の、強制的に燃料ガスを流すことが可能となる主壁222下の領域を、ガス流路251、252下の領域よりも広くすることができる。すると、アノード拡散層10による燃料ガスの拡散がより効果的なものとなる。その結果、第1実施例の単セル100には、発電効率の過剰な低下を防止できるという利点がある。
The second feature point is that the width W222 (FIG. 2) of the
また、第1実施例では、発電による電流は、アノード拡散層10とセパレータ60とカソード拡散層50とを流れることによって、外部の負荷(図示せず)に供給される。ここで、幅W222は、幅W251と幅W252とのいずれよりも広いので、アノード拡散層10とセパレータ60と間の接触面積が小さくなる、すなわち、電気抵抗が大きくなることを抑制できる。その結果、発電効率の過剰な低下を防止できるという利点もある。
In the first embodiment, the electric current generated by power generation is supplied to an external load (not shown) by flowing through the
カソード側についても同様に、主壁322の幅W322は、第1カソード流路351の幅W351と、第2カソード流路352の幅W352と、のいずれよりも大きい値に設定されている。従って、セパレータ60のカソード側にも、上述したアノード側と同様の利点がある。
Similarly, on the cathode side, the width W322 of the
B.第2実施例:
図6は、第2実施例における燃料電池(単セル)100bをx方向に沿って見た断面図である。この単セル100bは、図2に示す第1実施例の単セル100と同様に、電解質膜30をアノードアセンブリ70bとカソードアセンブリ80bとで挟んだ構成を有している。第1実施例の単セル100との差異は、セパレータ60bのカソード側の構成が異なっており、カソード側の溝351b、352bでのガスの流れる向きが逆向きとなっている点である。セパレータ60bのアノード側の構成は、第1実施例のセパレータ60と同じである。また、他の構成は、第1実施例と同じである。
B. Second embodiment:
FIG. 6 is a cross-sectional view of the fuel cell (single cell) 100b according to the second embodiment when viewed in the x direction. Similar to the
図7は、図6のVII-VII断面である。図7は、セパレータ60bのカソード側をz方向とは逆の方向に沿って見た断面図であり、セパレータ60bのカソード側の溝の形状を示している。セパレータ60bは、内壁320bと、外壁340bと、を有している。なお、VI-VI線は、図6の断面の位置を示している。
FIG. 7 is a VII-VII cross section of FIG. FIG. 7 is a sectional view of the cathode side of the
外壁340bは、矩形上のセパレータ60bの周囲を囲むように形成されている。図4に示す第1実施例の外壁340との差異は、流入開口362bと排出開口364bとのそれぞれが、逆側の端部に設けられている点である。具体的には、流入開口362bは、右側(x方向)の端部に設けられ、排出開口364bは、左側(x方向の逆方向)の端部に設けられている。
The
内壁320bは、図3に示す第1実施例のアノード側の内壁220と同一の形状を有している。各主壁322bは、平行に形成された第1カソード流路351bと第2カソード流路352bとに挟まれることとなる。また、第1カソード流路351bと第2カソード流路352bとは、主壁322bを挟んで交互に並ぶ。
The
各第1カソード流路351bの左側(x方向の逆方向)の端部は、折り返し壁328bと突出壁324bとのいずれかによって塞がれている。右側(x方向)の端部には、
流入開口362bに連通する第1開口351boが形成されている。
The end of each
A first opening 351bo communicating with the
一方、各第2カソード流路352bの右側(x方向)の端部は、折り返し壁328bと突出壁326bとのいずれかによって塞がれている。左側(x方向の逆方向)の端部には、排出開口364bに連通する第2開口352boが形成されている。
On the other hand, the right end (x direction) end of each
流入開口362bから供給された酸化ガスは、各第1カソード流路351bを介してカソード拡散層50へ流れ込み、カソード拡散層50を流れる排ガスは、各第2カソード流路352bを介して、排出開口364bへ排出される。図7中のハッチングを付した矢印は、カソード拡散層50の主壁322b下の部分におけるガスの流れの向きを示している。
The oxidizing gas supplied from the
図8は、単セル100bをz方向とは逆の方向に沿ってみた透視図である。図8には、セパレータ60bのアノード側(図3の断面図)とカソード側(図8の断面図)とが重ねて示されている。白抜きの矢印は、アノード拡散層10におけるガスの流れの向きを示し、ハッチングの付された矢印は、カソード拡散層50におけるガスの流れの向きを示している。また、実線の矢印は、アノード側のガス流路251、252におけるガスの流れの向きを示し、破線の矢印は、カソード側のガス流路351b、352bにおけるガスの流れの向きを示している。
FIG. 8 is a perspective view of the
第2実施例の単セル100bでは、図5に示す第1実施例の単セル100と同様に、アノード側の主壁222とカソード側の主壁322bとが重なっている。また、第2アノード流路252と第1カソード流路351bとが重なり、第1アノード流路251と第2カソード流路352bとが重なっている。従って、各拡散層10、50において、電解質膜30を挟んで対向する(重なる)主壁222、322b下を流れるガスの流れの向きは、アノード側(白抜きの矢印)とカソード側(ハッチングの付された矢印)とで逆向きとなる。その結果、水分量の比較的少ない領域(図6:第1領域A1,C1b)と、水分量の比較的多い領域(第2領域A2、C2b)とが、電解質膜30を挟んで対向することとなる。すなわち、アノード側の局所的な水分量の分布と、カソード側の局所的な水分量の分布との、バランスをとることが可能となる。
In the
また、単セル100bのカソード側では、主壁322bの幅W322b(図6)は、第1カソード流路351bの幅W351bと、第2カソード流路352bの幅W352bと、のいずれよりも大きい。
On the cathode side of the
以上のように、第2実施例の単セル100bは、上述した第1実施例の単セル100と同様の種々の特徴を有し、その結果、第1実施例と同様の種々の利点を有している。また、第1実施例と同様の特徴に加えて、以下の特徴を有している。第1の特徴点は、電解質膜30を挟んで対向する(重なる)第2アノード流路252と第1カソード流路351bとで、ガスの流れの向きが逆向きである点である(図6、図8)。
As described above, the
ところで、アノード拡散層10内の局所的な水分量は、第2アノード流路252の上流側に面する第1領域A21(図8)内よりも、下流側に面する第2領域A22内の方が多い傾向にある。同様に、カソード拡散層50内の局所的な水分量は、第1カソード流路351bの上流側に面する第1領域C11b内よりも、下流側に面する第2領域C12b内の方が多い傾向にある。ここで、ガスの流れる向きは、第2アノード流路252と第1カソード流路351bとで逆向きである。従って、各拡散層10、50の水分量の比較的多い第2領域A22、C12bと、水分量の比較的少ない第1領域A21、C11bとが、電解質膜30を挟んで対向する。すなわち、アノード側の局所的な水分量の分布と、カソード側の局所的な水分量の分布との、バランスをさらに向上させることが可能となる。すると、単セル100bでは、電解質膜30の局所的な含水率のバラツキが大きくなることが、さらに、抑制される。その結果、第2実施例の単セル100bには、電極20、40における局所的な発電量のバラツキが大きくなることを、さらに、抑制できるという利点がある。
By the way, the local water content in the
第2の特徴点は、セパレータ60bの四方の端部の中の、第2カソード流路352b(図7)の第2開口352boが設けられた端部と、第1アノード流路251(図3)の第1開口251oが設けられた端部とが、同じ側(図3と図7との例では、左側(x方向の逆方向))に位置している点である。その結果、2種類の流路251、352bを複雑に折り曲げずに、各層の重なる方向から見たときの各流路251、352bでのガスの流れる向きを互いに逆向きとすることができるという利点がある。
The second feature point is that the end part of the
以上、第2アノード流路252と第1カソード流路351bとが有する特徴と利点について説明したが、第1アノード流路251と第2カソード流路352bとも、同じ特徴と利点とを有している。例えば、第1アノード流路251(図8)の上流側の第1領域A11と、第2カソード流路352bの下流側の第2領域C22bとが対向し、第1アノード流路251の下流側の第2領域A12と、第2カソード流路352bの上流側の第1領域C21bとが対向する。
As described above, the features and advantages of the
また、第2実施例では、セパレータ60bにおいて、アノード側のガスが流入する第1開口251o(図3)と、カソード側のガスが排出される第2開口352bo(図7)とは、セパレータ60bの同じ側の端部に設けられている(図3、図7の例では、左側(x方向の逆方向)の端部)。さらに、アノード側のガスが排出される第2開口252o(図3)と、カソード側のガスが流入する第1開口351bo(図7)とは、セパレータ60bの同じ側の端部に設けられている(図3、図7の例では、右側(x方向)の端部)。すなわち、アノードアセンブリ70b(図3)の上流側の端部(左側(x方向の逆方向)の端部)とカソードアセンブリ80b(図7)の下流側の端部(左側(x方向の逆方向)の端部)とが電解質膜30を挟んで対向する。また、アノードアセンブリ70b(図3)の下流側の端部(右側(x方向)の端部)とカソードアセンブリ80b(図7)の上流側の端部(右側(x方向)の端部)とが電解質膜30を挟んで対向する。その結果、アセンブリ70b、80bの上流側と下流側との間の、電解質膜30の局所的な含水率のバラツキが大きくなることを抑制できる。すなわち、アセンブリ70b、80bの上流側と下流側との間の局所的な発電量のバラツキが大きくなることを抑制できるという利点がある。
In the second embodiment, in the
C.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。
C. Variations:
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.
変形例1:
上記各実施例では、「アノード側の流路形成層」と「カソード側の流路形成層」とが、1つのセパレータ60、60b、60cに一体として形成されているが、互いに別体として形成されていてもよい。また、上記各実施例では、発電による電流がセパレータ60、60b、60cを介して外部の負荷に供給されているが、セパレータ60、60b、60cを介さずに供給されることとしてもよい。すなわち、流路形成層を電気的な不導体材料で形成してもよい。セパレータについても同様である。また、セパレータに、燃料電池100を冷却する冷却媒体(例えば、冷却水)が流れる冷却媒体流路が設けられていても良い。また、アノード側のセパレータとカソード側のセパレータとが別体として形成されていてもよい。この場合には、アノード側のセパレータとカソード側のセパレータとの間に冷却媒体流路を設けてもよい。
Modification 1:
In each of the above embodiments, the “anode-side flow path forming layer” and the “cathode-side flow path forming layer” are formed integrally with one
変形例2:
図9は、単セルの変形例を示す説明図である。図9は、単セル100cの、図6と同様の断面図を示している。この単セル100cは、図6に示す第2実施例の100bと同様に、電解質膜30をアノードアセンブリ70cとカソードアセンブリ80cとで挟んだ構成を有している。第2実施例の単セル100bとの差違は、アノード側とカソード側とのそれぞれにおいて、第2ガス流路の幅が第1ガス流路の幅よりも広い値に設定されている点だけである。具体的には、第2アノード流路252cの幅W252cは、第1アノード流路251cの幅W251cよりも広い値に設定されている。また、第2カソード流路352cの幅W352cは、第1カソード流路351cの幅W351cよりも広い値に設定されている。このように、流入流路(第1ガス流路)の幅よりも排出流路(第2ガス流路)の幅を広くすれば、単セル100c内のガスの流れをスムーズなものとすることができる。
Modification 2:
FIG. 9 is an explanatory diagram showing a modification of the single cell. FIG. 9 shows a cross-sectional view of the
なお、図9の例では、主壁222cの幅W222cは、その主壁222cに隣接する第1流路251cの幅W251cと第2流路252cの幅W252cと、のいずれよりも広い値に設定されている。同様に、主壁322cの幅W322cは、その主壁322c隣接する第1流路351cの幅W351cと第2流路352cの幅W352cと、のいずれよりも広い値に設定されている。従って、上記各実施例と同様に、ガス拡散層10、50によるガスの拡散をより効果的なものとすることができる。また、ガス拡散層10、50とセパレータ60cとの接触面積が過剰に小さくなることを防止できる。
In the example of FIG. 9, the width W222c of the
なお、図9の例のように、電解質膜30を挟んで対向するガス流路ペアの各流路の幅が、アノード側とカソード側とで異なる場合には、各層の重なる方向から見たときに、各流路の中心が重なっている(一致している)ことが好ましい。例えば、図9の例では、第2アノード流路252cの中心C252cと、第1カソード流路351cの中心C351cとが重なっている。また、第1アノード流路251cの中心C251cと第2カソード流路352cの中心C352cとが重なっている。こうすれば、アノード側のガス流路の配置と、カソード側のガス流路の配置との、バランスをとることができるので、アノード側の局所的な水分量の分布と、カソード側の局所的な水分量の分布との、バランスを向上させることが可能となる。
As in the example of FIG. 9, when the widths of the gas channel pairs facing each other across the
変形例3:
上記各実施例では、アノード側とカソード側とのそれぞれにおいて、主壁と、主壁を挟む第1ガス流路と第2ガス流路と、のそれぞれが、直線状に形成されていたが、途中で屈曲していてもよい。また、第1ガス流路と第2ガス流路とが平行でなくてもよい。さらに、複数の第1ガス流路が互いに平行でなくてもよく、また、複数の第2ガス流路が互いに平行でなくてもよい。ただし、第1ガス流路と第2ガス流路とが、壁(主壁)を挟んで並ぶように形成されていることが好ましい。すなわち、第1ガス流路と第2ガス流路とが、主壁を挟んで、並走するように形成されていることが好ましい。ここで、「2つの流路が並走する」とは、各流路が互いに平行に延びる場合に限らず、一方の流路が他方の流路に対して斜めに延びる場合や、各流路が曲線形状を有する場合や、各流路が幅を変化させながら延びる場合を含む広い概念を意味している。なお、第1ガス流路の延びる方向と第2ガス流路の延びる方向とのなす角度は、小さいことが好ましく、第1ガス流路と第2ガス流路とが、互いに平行に形成されていることが特に好ましい。こうすれば、ガス拡散層の主壁下を流れるガスの局所的な流量のバラツキが大きくなることを抑制し、局所的な発電量のバラツキが大きくなることを抑制できる。なお、「第1ガス流路と第2ガス流路とが平行に形成される」とは、各ガス流路でのガスが流れる方向が同一あるいは逆向きであることを意味しており、各ガス流路が直線状かつ平行に形成される場合に限らず、例えば双方が蛇行する場合や屈曲する場合や、各ガス流路の幅が経路に沿って変化する場合も含む広い概念を意味している。
Modification 3:
In each of the above embodiments, on each of the anode side and the cathode side, each of the main wall and the first gas channel and the second gas channel sandwiching the main wall is formed in a straight line, It may be bent along the way. Further, the first gas channel and the second gas channel may not be parallel. Further, the plurality of first gas flow paths may not be parallel to each other, and the plurality of second gas flow paths may not be parallel to each other. However, it is preferable that the first gas channel and the second gas channel are formed so as to be lined up with a wall (main wall) interposed therebetween. That is, it is preferable that the first gas channel and the second gas channel are formed so as to run side by side with the main wall interposed therebetween. Here, “two flow paths run in parallel” is not limited to the case where the flow paths extend in parallel to each other, but the case where one flow path extends obliquely with respect to the other flow path, Means a broad concept including a case where the channel has a curved shape and a case where each channel extends while changing its width. The angle formed between the direction in which the first gas channel extends and the direction in which the second gas channel extends is preferably small, and the first gas channel and the second gas channel are formed in parallel to each other. It is particularly preferable. By so doing, it is possible to suppress an increase in local flow rate variation of the gas flowing under the main wall of the gas diffusion layer, and to suppress an increase in local power generation amount variation. Note that “the first gas flow path and the second gas flow path are formed in parallel” means that the gas flow direction in each gas flow path is the same or opposite, It is not limited to the case where the gas flow paths are formed in a straight line and in parallel.For example, it means a broad concept including cases where both of them meander or bend, and the width of each gas flow path changes along the path. ing.
変形例4:
上記第1実施例と第2実施例とでは、同じ電極において第1ガス流路251、351、351bと第2ガス流路252、352、352bとの幅が同じであったが、異なっていても良い。また、同じ電極において、各第1ガス流路の幅が流路毎に異なっていても良く、各第2ガス流路の幅が流路毎に異なっていても良い。また、第1ガス流路の幅が、アノード側とカソード側とで異なっていても良く、第2ガス流路の幅が、アノード側とカソード側とで異なっていても良い。また、各ガス流路が途中で屈曲していてもよく、各ガス流路の幅が経路に沿って変化していてもよい。
Modification 4:
In the first embodiment and the second embodiment, the widths of the first
一般に、第1アノード流路と第2カソード流路との構成としては、電解質層を挟んで対向するような任意の構成を採用可能である。ここで、第1アノード流路と第2カソード流路とが、電解質層を挟んで対向する位置を並走するように形成されていることが好ましい。なお、各ガス流路が電解質層を挟んで対向する位置を並走するとは、各層の重なる方向に沿って見たときに、各ガス流路がぴったり重なる場合に限らず、各ガス流路が辿る経路において各ガス流路の一部のみが重なる部分が存在する場合を含む広い概念を意味している。これは、第2アノード流路と第1カソード流路との構成についても同様である。 In general, as the configuration of the first anode channel and the second cathode channel, any configuration that is opposed to each other with the electrolyte layer interposed therebetween can be adopted. Here, it is preferable that the first anode channel and the second cathode channel are formed so as to run in parallel at positions facing each other with the electrolyte layer interposed therebetween. Note that the fact that the gas flow paths run parallel to each other across the electrolyte layer is not limited to the case where the gas flow paths overlap exactly when viewed along the overlapping direction of the layers. This means a broad concept including a case where only a part of each gas flow path is overlapped in the route to be traced. The same applies to the configurations of the second anode channel and the first cathode channel.
ここで、第1と第2のアノード流路と、第1と第2のカソード流路とは、以下のように形成されていることが好ましい。すなわち、第1と第2のアノード流路が平行に形成され、第1と第2のカソード流路が平行に形成され、さらに、第1アノード流路と第2カソード流路とが、電解質層を挟んで対向する位置を並走するよう形成され、第2アノード流路と第1カソード流路とが、電解質層を挟んで対向する位置を並走するよう形成されていることが好ましい。また、このように各流路が形成されれば、第1と第2のアノード流路に挟まれるアノード側の主壁と、第1と第2のカソード流路に挟まれるカソード側の主壁とは、以下の構成を有することとなる。すなわち、アノード側の主壁とカソード側の主壁とは、電解質を挟んで対向する位置を並走することとなる。ここで、各主壁が電解質層を挟んで対向する位置を並走するとは、各層の重なる方向に沿って見たときに、各主壁がぴったり重なる場合に限らず、各主壁が辿る経路において各主壁の一部のみが重なる部分が存在する場合を含む広い概念を意味している。 Here, the first and second anode flow paths and the first and second cathode flow paths are preferably formed as follows. That is, the first and second anode flow paths are formed in parallel, the first and second cathode flow paths are formed in parallel, and the first anode flow path and the second cathode flow path are formed of an electrolyte layer. Preferably, the second anode flow path and the first cathode flow path are formed so as to run in parallel at positions facing each other with the electrolyte layer interposed therebetween. If each flow path is formed in this manner, the main wall on the anode side sandwiched between the first and second anode flow paths and the main wall on the cathode side sandwiched between the first and second cathode flow paths. Has the following configuration. In other words, the main wall on the anode side and the main wall on the cathode side run side by side at opposite positions across the electrolyte. Here, the fact that the main walls run parallel to each other across the electrolyte layer is not limited to the case where the main walls overlap exactly when viewed along the overlapping direction of the layers, but the path that the main walls follow This means a broad concept including a case where there is a portion where only a part of each main wall overlaps.
ここで、主壁の幅がアノード側とカソード側とで異なっていても良い。また、同じ電極において、各主壁毎に主壁の幅が異なっていても良い。また、主壁が途中で屈曲してもよい。例えば、図2に示す第1実施例において、各主壁222が、幅W352の1/3の長さだけ、y方向にずれていてもよい。
Here, the width of the main wall may be different between the anode side and the cathode side. In the same electrode, the width of the main wall may be different for each main wall. Further, the main wall may be bent halfway. For example, in the first embodiment shown in FIG. 2, each
なお、上記各実施例のように、アノード側とカソード側のそれぞれにおいて、主壁と、主壁に隣接する第1ガス流路と第2ガス流路と、のそれぞれを直線状に形成することが好ましい。こうすれば、流路形成層の加工を容易なものとすることができる。また、上記各実施例のように、アノード側とカソード側とのそれぞれにおいて、主壁と、主壁に隣接する第1ガス流路と第2ガス流路と、の組み合わせを複数設けることが好ましい。こうすれば、ガス拡散層に対するガスの供給と排出とが複数の流路によって行われるので、ガス拡散層内の局所的な水分量のバラツキが大きくなることを抑制し、局所的な発電量のバラツキが大きくなることを抑制できる。 As in the above embodiments, the main wall and the first gas flow path and the second gas flow path adjacent to the main wall are formed linearly on each of the anode side and the cathode side. Is preferred. By doing so, the flow path forming layer can be easily processed. Further, as in the above embodiments, it is preferable to provide a plurality of combinations of the main wall and the first gas channel and the second gas channel adjacent to the main wall on each of the anode side and the cathode side. . In this way, the supply and discharge of the gas to and from the gas diffusion layer are performed by a plurality of flow paths. Therefore, it is possible to suppress the local variation in the amount of moisture in the gas diffusion layer and to reduce the local power generation amount. Increase in variation can be suppressed.
変形例5:
アノード側とカソード側とのそれぞれにおいて、主壁の幅が、その主壁に隣接する第1ガス流路の幅と第2ガス流路の幅との少なくとも一方よりも狭い値に設定されていてもよい。ただし、上記各実施例のように、主壁の幅を、その主壁の両側のガス流路のそれぞれの幅のいずれよりも広い値に設定すれば、ガス拡散層によるガスの拡散の効果をより高めることが可能となる。さらに、ガス拡散層と流路形成層(上記各実施例では、セパレータ60、60b、60c)との接触面積が過剰に小さくなることを防止することもできる。
Modification 5:
In each of the anode side and the cathode side, the width of the main wall is set to a value narrower than at least one of the width of the first gas passage and the width of the second gas passage adjacent to the main wall. Also good. However, if the width of the main wall is set to a value wider than any of the widths of the gas flow paths on both sides of the main wall as in the above embodiments, the gas diffusion effect by the gas diffusion layer can be reduced. It becomes possible to raise more. Furthermore, it is possible to prevent the contact area between the gas diffusion layer and the flow path forming layer (in the above embodiments, the
また、主壁の幅とガス流路の幅との少なくとも一方が、経路に沿って変化する場合には、主壁の幅の平均値が、その主壁に隣接する第1ガス流路の幅の平均値と、その主壁に隣接する第2ガス流路の幅の平均値と、のいずれよりも広い値に設定されていることが好ましい。ここで、第1ガス流路の幅の平均値としては、例えば、ガス拡散層と流路形成層とが重なる方向に沿って見たときの、第1ガス流路の面積を第1ガス流路の長さで割った値を採用可能である。ここで、流路の長さとしては、例えば、流路の芯線化処理(細線化処理とも呼ばれる)によって得られる芯線(細線)の長さを採用可能である。第2ガス流路の幅の平均値と、主壁の幅の平均値と、についても同じである。なお、第1ガス流路の幅の平均値は、第1ガス流路における第2ガス流路と並走する部分のみを用いて算出することが好ましい。第1ガス流路の並走部分としては、例えば、第1ガス流路における、第2ガス流路の上流側の端部に最も近い部分から第1ガス流路の下流側の端部までの部分を採用可能である。第2ガス流路の幅の平均値についても同様である。第2ガス流路の並走部分としては、例えば、第2ガス流路における、第1ガス流路の下流側の端部に最も近い部分から第2ガス流路の上流側の端部までの部分を採用可能である。また、主壁の幅の平均値は、主壁における、第1ガス流路の並走部分と、第2ガス流路の並走部分と、に挟まれる部分のみを用いて算出することが好ましい。一方、主壁の経路上の任意の位置における主壁の幅が、その位置での両側のガス流路の幅のいずれよりも広い値に設定されていてもよい。 In addition, when at least one of the width of the main wall and the width of the gas flow path changes along the path, the average value of the width of the main wall is the width of the first gas flow path adjacent to the main wall. It is preferable that the average value of the second gas flow path and the average value of the width of the second gas flow path adjacent to the main wall be set to a value wider than both. Here, as the average value of the width of the first gas flow path, for example, the area of the first gas flow path when viewed along the direction in which the gas diffusion layer and the flow path forming layer overlap is the first gas flow path. The value divided by the length of the road can be adopted. Here, as the length of the flow path, for example, the length of the core wire (thin line) obtained by the core line processing (also referred to as thinning process) of the flow path can be employed. The same applies to the average value of the width of the second gas flow path and the average value of the width of the main wall. In addition, it is preferable to calculate the average value of the width | variety of a 1st gas flow path using only the part in parallel with the 2nd gas flow path in a 1st gas flow path. As the parallel running part of the first gas channel, for example, from the part closest to the upstream end of the second gas channel to the downstream end of the first gas channel in the first gas channel Part can be adopted. The same applies to the average value of the width of the second gas flow path. As the parallel running part of the second gas flow path, for example, from the part closest to the downstream end of the first gas flow path to the upstream end of the second gas flow path in the second gas flow path Part can be adopted. The average value of the width of the main wall is preferably calculated using only the portion of the main wall sandwiched between the parallel portion of the first gas flow path and the parallel portion of the second gas flow path. . On the other hand, the width of the main wall at an arbitrary position on the path of the main wall may be set to a value wider than any of the widths of the gas flow paths on both sides at the position.
変形例6:
上述の各実施例では、電解質として固体高分子電解質を採用したが、この他にも、固体酸化物電解質や、リン酸電解質や、アルカリ水溶液電解質や、溶融炭酸塩電解質等、種々のタイプの電解質を採用可能である。ただし、発電に水を利用する電解質(例えば、固体高分子電解質)を採用すれば、特に、電解質層の局所的な含水率のバラツキが過剰に大きくなることを防止することが可能となる。従って、電極における局所的な発電量のバラツキが大きくなることを抑制する効果が顕著となる。
Modification 6:
In each of the above-described embodiments, a solid polymer electrolyte was used as the electrolyte. In addition to this, various types of electrolytes such as a solid oxide electrolyte, a phosphate electrolyte, an alkaline aqueous electrolyte, and a molten carbonate electrolyte were used. Can be adopted. However, if an electrolyte that uses water for power generation (for example, a solid polymer electrolyte) is employed, it is possible to prevent the variation in local water content of the electrolyte layer from becoming excessively large. Therefore, the effect of suppressing the local variation in the amount of power generation at the electrode is significant.
10...アノード拡散層
20...アノード触媒層
30...電解質膜
40...カソード触媒層
50...カソード拡散層
60、60b、60c...セパレータ
70、70b、70c...アノードアセンブリ
80、80b、80c...カソードアセンブリ
100、100b、100c...燃料電池(単セル)
220...内壁
222、222c...主壁
224、226...突出壁
228...折り返し壁
240...外壁
251、251c...第1アノード流路
251o...第1開口
252、252c...第2アノード流路
252o...第2開口
262...流入開口
264...排出開口
320、320b...内壁
322、322b、322c...主壁
324、324b...突出壁
326、326b...突出壁
328、328b...折り返し壁
340、340b...外壁
351、351b、351c...第1カソード流路
351o、351bo...第1開口
352、352b、352c...第2カソード流路
352o、352bo...第2開口
362、362b...流入開口
364、364b...排出開口
DESCRIPTION OF
220 ...
Claims (5)
電解質層と、
前記電解質層を挟むように配置されたアノード電極とカソード電極と、
前記電解質層と前記各電極とを挟むように配置されたアノード側セパレータとカソード側セパレータと、
前記アノード電極と前記アノード側セパレータとの間に配置されたアノード側ガス拡散層と、
前記アノード側ガス拡散層と前記アノード側セパレータとの間に配置されたアノード側流路形成層と、
前記カソード電極と前記カソード側セパレータとの間に配置されたカソード側ガス拡散層と、
前記カソード側ガス拡散層と前記カソード側セパレータとの間に配置されたカソード側流路形成層と、
を備え、
前記アノード側流路形成層と前記カソード側流路形成層とのそれぞれは、
前記ガス拡散層に面して形成され、前記電極毎に定められたガスが流入する第1流路と、
前記ガス拡散層に面して形成され、前記ガスを排出する第2流路と、
前記ガス拡散層に接するとともに前記第1流路と前記第2流路とを隔てる隔壁と、を有し、
前記第1流路の下流側と前記第2流路の上流側とのそれぞれは前記隔壁によって閉塞されており、
前記アノード側の第1流路と前記カソード側の第2流路とは、前記電解質層を挟んで対向するように構成され、
前記アノード側の第2流路と前記カソード側の第1流路とは、前記電解質層を挟んで対向するように構成されている、
燃料電池。 A fuel cell,
An electrolyte layer;
An anode electrode and a cathode electrode arranged so as to sandwich the electrolyte layer;
An anode-side separator and a cathode-side separator disposed so as to sandwich the electrolyte layer and the electrodes,
An anode-side gas diffusion layer disposed between the anode electrode and the anode-side separator;
An anode-side flow path forming layer disposed between the anode-side gas diffusion layer and the anode-side separator;
A cathode-side gas diffusion layer disposed between the cathode electrode and the cathode-side separator;
A cathode-side flow path forming layer disposed between the cathode-side gas diffusion layer and the cathode-side separator;
With
Each of the anode side flow path forming layer and the cathode side flow path forming layer is
A first flow path that is formed facing the gas diffusion layer and into which a gas defined for each electrode flows;
A second flow path formed facing the gas diffusion layer and exhausting the gas;
A partition that contacts the gas diffusion layer and separates the first flow path and the second flow path;
Each of the downstream side of the first channel and the upstream side of the second channel is closed by the partition wall,
The first flow path on the anode side and the second flow path on the cathode side are configured to face each other with the electrolyte layer interposed therebetween,
The second flow path on the anode side and the first flow path on the cathode side are configured to face each other with the electrolyte layer interposed therebetween.
Fuel cell.
前記各層の重なる方向に沿って見たときに、
互いに重なる前記アノード側の第1流路と前記カソード側の第2流路とのそれぞれにおけるガスの流れる向きは互いに逆向きであり、
互いに重なる前記アノード側の第2流路と前記カソード側の第1流路とのそれぞれにおけるガスの流れる向きは互いに逆向きである、
燃料電池。 The fuel cell according to claim 1,
When viewed along the overlapping direction of the layers,
The flow directions of the gas in each of the first flow path on the anode side and the second flow path on the cathode side that overlap each other are opposite to each other,
The flow directions of the gas in each of the anode-side second flow path and the cathode-side first flow path that overlap each other are opposite to each other.
Fuel cell.
前記アノード側の前記流路形成層の一端部は、前記アノード側の第1流路の流入開口を有し、
前記カソード側の前記流路形成層の一端部は、前記カソード側の第2流路の排出開口を有し、
前記各層の重なる方向に沿って見たときに、前記アノード側の流路形成層の前記流入開口が設けられた端部は、前記カソード側の流路形成層の前記排出開口が設けられた端部と同じ側に位置している、
燃料電池。 The fuel cell according to claim 2, wherein
One end of the flow path forming layer on the anode side has an inflow opening of the first flow path on the anode side,
One end of the flow channel forming layer on the cathode side has a discharge opening of the second flow channel on the cathode side,
When viewed along the overlapping direction of the layers, the end of the anode-side channel forming layer provided with the inflow opening is the end of the cathode-side channel forming layer provided with the discharge opening. Located on the same side as the
Fuel cell.
前記アノード側流路形成層と前記カソード側流路形成層とのそれぞれにおいて、
前記第1流路と前記第2流路とは並走するように形成されており、
前記隔壁は、並走する前記第1流路と前記第2流路とに挟まれる主壁を含み、
前記主壁の幅の平均値は、前記主壁に隣接する前記第1流路の幅の平均値と、前記主壁に隣接する前記第2流路の幅の平均値と、のいずれよりも広い値に設定されている、
燃料電池。 A fuel cell according to any one of claims 1 to 3,
In each of the anode side flow path forming layer and the cathode side flow path forming layer,
The first flow path and the second flow path are formed to run in parallel,
The partition includes a main wall sandwiched between the first flow path and the second flow path that run in parallel,
The average value of the width of the main wall is greater than the average value of the width of the first flow path adjacent to the main wall and the average value of the width of the second flow path adjacent to the main wall. Set to a wide value,
Fuel cell.
前記電解質層は、固体高分子電解質を用いて形成されている、燃料電池。 The fuel cell according to any one of claims 1 to 4, wherein
The fuel cell is a fuel cell, wherein the electrolyte layer is formed using a solid polymer electrolyte.
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