JP2007073192A - Fuel cell and fuel cell system equipped with it - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池およびそれを備えた燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell and a fuel cell system including the same.
燃料電池は、一般的には水素及び酸素を燃料として電気エネルギーを得る装置である。この燃料電池は、環境面において優れかつ高いエネルギー効率が実現できることから、今後のエネルギー供給システムとして広く開発が進められてきている。 A fuel cell is a device that generally obtains electric energy using hydrogen and oxygen as fuel. This fuel cell is environmentally superior and can realize high energy efficiency, and therefore has been widely developed as a future energy supply system.
この燃料電池は、固体高分子等からなる電解質膜の両側のそれぞれに、水素を含む燃料ガスを供給する流体通路が形成されたセパレータと、酸素を含む酸化剤ガスを供給する流体通路が形成されたセパレータとが設けられた発電セルを備えている。この発電セルが所定数積層されて燃料電池スタックを構成する。この燃料電池スタックに対して小型化の要求がなされている。 In this fuel cell, a separator having a fluid passage for supplying a fuel gas containing hydrogen and a fluid passage for supplying an oxidant gas containing oxygen are formed on both sides of an electrolyte membrane made of a solid polymer or the like. And a power generation cell provided with a separator. A predetermined number of the power generation cells are stacked to constitute a fuel cell stack. There is a demand for downsizing the fuel cell stack.
そこで、凹凸状にプレス加工が施された金属製プレートを上記セパレータとして用いる技術が開示されている(例えば、特許文献1参照)。この技術によれば、反応ガス流路および冷却水流路としてセパレータの表裏面の凹部を用いていることから、燃料電池を小型化することができる。また、反応ガス流路がサーペンタイン形状を有することから、反応ガスが電解質に効率よく供給される。 Therefore, a technique is disclosed that uses a metal plate that has been pressed in a concavo-convex shape as the separator (see, for example, Patent Document 1). According to this technique, since the recesses on the front and back surfaces of the separator are used as the reaction gas channel and the cooling water channel, the fuel cell can be reduced in size. In addition, since the reaction gas channel has a serpentine shape, the reaction gas is efficiently supplied to the electrolyte.
しかしながら、特許文献1の技術を用いると、反応ガス流路がサーペンタイン流路を流動し、冷却水流路がストレート流路を流動する。この場合、冷却水の流動によって生じる反応ガス流路および冷却水流路の温度分布に起因して、カソード側の反応ガス流路に液体水が滞留するおそれがある。特に、サーペンタイン流路の折り返し部において滞留する液体水を除去するのは困難である。その結果、発電セル間に反応ガス流量にばらつきが発生するおそれがある。 However, when the technique of Patent Document 1 is used, the reaction gas flow path flows through the serpentine flow path, and the cooling water flow path flows through the straight flow path. In this case, liquid water may stay in the reaction gas passage on the cathode side due to the temperature distribution of the reaction gas passage and the cooling water passage caused by the flow of the cooling water. In particular, it is difficult to remove liquid water staying in the folded portion of the serpentine channel. As a result, the reaction gas flow rate may vary between the power generation cells.
そこで、カーボンセパレータを用いてサーペンタイン型酸化剤ガス流路および冷却媒体流路の形状を規定する技術が開示されている(例えば、特許文献2参照)。この技術によれば、セパレータの一面に形成された流路形状に拘束されることなく他面の流路形状を規定することが可能である。 Therefore, a technique for defining the shapes of the serpentine type oxidant gas flow path and the cooling medium flow path using a carbon separator is disclosed (for example, see Patent Document 2). According to this technique, it is possible to define the channel shape on the other surface without being restricted by the channel shape formed on one surface of the separator.
しかしながら、凹凸状にプレス加工が施された金属製プレートの厚さに比較してカーボンセパレータの厚さは大きくなってしまう。その結果、特許文献2の技術では燃料電池が発電セルの積層方向に大きくなってしまう。 However, the thickness of the carbon separator becomes larger than the thickness of the metal plate that has been pressed into a concavo-convex shape. As a result, in the technique of Patent Document 2, the fuel cell becomes large in the stacking direction of the power generation cells.
本発明は、サーペンタイン形状の反応ガス流路における液体水の発生および滞留を抑制することができ、かつ、発電セルの積層方向に小型化することができる燃料電池およびそれを備える燃料電池システムを提供することを目的とする。 The present invention provides a fuel cell that can suppress the generation and retention of liquid water in a serpentine-shaped reaction gas flow path, and that can be miniaturized in the stacking direction of power generation cells, and a fuel cell system including the fuel cell. The purpose is to do.
本発明に係る燃料電池は、少なくとも一部の断面が波形状であり一面の凹部が酸化剤ガス流路を形成し他面における一面の凹部に隣接する凹部が冷却媒体流路を形成する第1のセパレータを備え、酸化剤ガス流路および冷却媒体流路は折り返し部によって同一の方向に折り返すサーペンタイン形状を有しかつ入口側および出口側の両方においてマニホールド連通部を介してマニホールドに接続され、マニホールド連通部および折り返し部は格子点状に形成された複数の突起部から構成され、冷却媒体流路の入口側のマニホールドは酸化剤ガス流路の入口側のマニホールドおよびマニホールド連通部に隣接し、酸化剤ガス流路を流動する酸化剤ガスと冷却媒体流路を流動する冷却媒体とは同一の方向に流動することを特徴とするものである。 In the fuel cell according to the present invention, a first portion in which at least a part of a cross section is corrugated, a concave portion on one surface forms an oxidant gas flow channel, and a concave portion adjacent to the concave portion on one surface on the other surface forms a cooling medium flow channel. The oxidant gas flow path and the cooling medium flow path have a serpentine shape that is folded back in the same direction by the turn-back portion, and are connected to the manifold via the manifold communication portion on both the inlet side and the outlet side. The communication part and the folded part are composed of a plurality of protrusions formed in a lattice point, and the manifold on the inlet side of the coolant flow path is adjacent to the manifold on the inlet side of the oxidant gas flow path and the manifold communication part. The oxidizing gas flowing in the agent gas flow path and the cooling medium flowing in the cooling medium flow path flow in the same direction.
本発明に係る燃料電池においては、冷却媒体により酸化剤ガス流路が冷却される。この場合、酸化剤ガス流路の入口近傍の温度が最も低くなる。それにより、酸化剤ガスによる燃料電池のカソードおよび電解質の乾燥が抑制される。また、酸化剤ガス流路の折り返し部においては、冷却媒体の温度は上昇している。それにより、酸化剤ガス流路の折り返し部においては、発電反応によって生じた水の液体化が抑制される。したがって、本発明に係る燃料電池においては、酸化剤ガスの折り返し部における液体水の滞留が抑制される。その結果、本発明に係る燃料電池における反応ガス流量のばらつきが抑制される。 In the fuel cell according to the present invention, the oxidant gas flow path is cooled by the cooling medium. In this case, the temperature in the vicinity of the inlet of the oxidant gas flow path is the lowest. Thereby, drying of the cathode and electrolyte of the fuel cell by the oxidant gas is suppressed. Further, the temperature of the cooling medium is rising at the folded portion of the oxidant gas flow path. Thereby, liquefaction of water generated by the power generation reaction is suppressed at the folded portion of the oxidant gas flow path. Therefore, in the fuel cell according to the present invention, the stagnation of the liquid water at the oxidant gas folding portion is suppressed. As a result, the variation in the reaction gas flow rate in the fuel cell according to the present invention is suppressed.
また、第1のセパレータの両面に形成された凹部を冷却媒体流路および酸化剤ガス流路として用いていることから、本発明に係る燃料電池は積層方向に小型化される。なお、マニホールド連通部および折り返し部は格子点状に形成された複数の突起部から構成されていることから、酸化剤ガス流路および冷却媒体流路の形状がそれぞれの裏面のマニホールド連通部および折り返し部に拘束されることはない。 Further, since the recesses formed on both surfaces of the first separator are used as the cooling medium flow path and the oxidant gas flow path, the fuel cell according to the present invention is miniaturized in the stacking direction. Since the manifold communication portion and the turn-up portion are composed of a plurality of protrusions formed in a lattice point, the shape of the oxidant gas flow path and the cooling medium flow path is the same as the manifold communication portion and the turn-back on the back side. It is not restrained by the part.
他面に燃料ガス流路が形成され電解質膜を備える発電部を挟んで第1のセパレータと対向する第2のセパレータを備え、燃料ガス流路は折り返し部によって折り返すサーペンタイン形状を有しかつ入口側および出口側の両方においてマニホールド連通部を介してマニホールドに接続され、燃料ガス流路の入口側のマニホールドは冷却媒体流路または酸化剤ガス流路の出口側のマニホールドに隣接し、燃料ガス流路の直線部における燃料ガスの流動方向は酸化剤ガスの直線部における流動方向と逆であってもよい。この場合、燃料ガスの濃度分布と酸化剤ガスの濃度分布とが重複しなくなる。したがって、発電部における発電分布のばらつきが抑制される。その結果、本発明に係る燃料電池の発電効率が向上する。また、電解質膜は、水素イオン導電性を有する固体高分子から構成されていてもよい。 A fuel gas channel is formed on the other surface, and a second separator facing the first separator is sandwiched between a power generation unit including an electrolyte membrane. The fuel gas channel has a serpentine shape that is folded back by a folded portion and is on the inlet side And the manifold on the outlet side of the fuel gas passage are connected to the manifold, the manifold on the inlet side of the fuel gas passage is adjacent to the manifold on the outlet side of the coolant passage or the oxidant gas passage, and the fuel gas passage The flow direction of the fuel gas in the straight portion may be opposite to the flow direction in the straight portion of the oxidant gas. In this case, the fuel gas concentration distribution and the oxidant gas concentration distribution do not overlap. Therefore, the dispersion | variation in the electric power generation distribution in an electric power generation part is suppressed. As a result, the power generation efficiency of the fuel cell according to the present invention is improved. The electrolyte membrane may be composed of a solid polymer having hydrogen ion conductivity.
本発明に係る燃料電池システムは、請求項2または3記載の燃料電池と、冷却媒体流路の入口側のマニホールドに冷却媒体を供給する冷却媒体供給手段と、酸化剤ガス流路の入口側のマニホールドに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、燃料ガス流路の入口側のマニホールドに燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段とを備えることを特徴とするものである。 A fuel cell system according to the present invention includes a fuel cell according to claim 2, a cooling medium supply means for supplying a cooling medium to a manifold on the inlet side of the cooling medium flow path, and an inlet side of the oxidizing gas flow path. An oxidant gas supply means for supplying an oxidant gas to the manifold, and a fuel gas supply means for supplying the fuel gas to the manifold on the inlet side of the fuel gas flow path are provided.
本発明に係る燃料電池システムにおいては、冷却媒体供給手段により冷却媒体流路の入口側のマニホールドに冷却媒体が供給され、酸化剤ガス供給手段により酸化剤ガスが酸化剤ガス流路の入口側のマニホールドに酸化剤ガスが供給される。この場合、酸化剤ガス流路を流動する酸化剤ガスと冷却媒体流路を流動する冷却媒体とは、同一の方向に流動する。 In the fuel cell system according to the present invention, the cooling medium is supplied to the manifold on the inlet side of the cooling medium flow path by the cooling medium supply means, and the oxidant gas is supplied to the inlet side of the oxidant gas flow path by the oxidant gas supply means. An oxidant gas is supplied to the manifold. In this case, the oxidant gas flowing in the oxidant gas flow path and the cooling medium flowing in the cooling medium flow path flow in the same direction.
本発明によれば、サーペンタイン形状の酸化剤ガス流路の折り返し部における液体水の発生および滞留を抑制することができるとともに、燃料電池を発電セルの積層方向に小型化することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, while being able to suppress generation | occurrence | production and retention of liquid water in the folding | turning part of a serpentine-shaped oxidant gas flow path, a fuel cell can be reduced in the lamination direction of an electric power generation cell.
以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。 Hereinafter, the best mode for carrying out the present invention will be described.
図1は、第1実施例に係る燃料電池システム100の全体構成を示す模式図である。図1に示すように、燃料電池システム100は、燃料電池200、冷却水循環ポンプ201、酸化剤ガス供給手段202および燃料ガス供給手段203を含む。本実施例においては、燃料電池200として固体高分子型燃料電池を用いた。
FIG. 1 is a schematic diagram showing an overall configuration of a
冷却水循環ポンプ201は、燃料電池200の冷却水流路に冷却水を供給するためのポンプである。なお、冷却水循環ポンプ201は、冷却水の代わりにエチレングリコール、オイル等の他の冷却媒体を燃料電池200に供給してもよい。酸化剤ガス供給手段202は、燃料電池200のカソードに酸素を含有する酸化剤ガスを供給する装置である。酸化剤ガス供給手段202としては、例えば、エアポンプを用いることができる。燃料ガス供給手段203は、燃料電池200のアノードに水素を含有する燃料ガスを供給する装置である。燃料ガス供給手段203としては、改質器、水素ボンベ、液体水素タンク等を用いることができる。
The cooling
以下、図2〜図8を参照しながら燃料電池200の詳細について説明する。図2は、本実施例に係る燃料電池200の分解斜視図である。図2に示すように、燃料電池200は、膜電極複合体(MEA)から構成される発電部12がセパレータ11とセパレータ13とによって挟持される構造を有する発電セルを備える。
Hereinafter, the details of the
図2においては簡略化されているが、実際の燃料電池200においては、上記発電セルが複数積層されている。セパレータ11,13は、プレス加工処理が施されたステンレス等の金属から構成される。ここで、発電セルの積層方向をZ方向とし、発電セルの一辺に平行かつZ方向と直角な方向をX方向とし、方向Xおよび方向Zと直行する方向を方向Yとする。
Although simplified in FIG. 2, in the
セパレータ11,13および発電部12のX方向の一端部には、冷却水入口マニホールド21a、酸化剤ガス入口マニホールド22aおよび燃料ガス出口マニホールド23bがY方向に順に形成されている。セパレータ11,13および発電部12のX方向の他端部には、燃料ガス入口マニホールド23a、酸化剤ガス出口マニホールド22bおよび冷却水出口マニホールド21bがY方向に順に形成されている。
A cooling
冷却水入口マニホールド21aには、図1の冷却水循環ポンプ201から冷却水が供給される。酸化剤ガス入口マニホールド22aには、図1の酸化剤ガス供給手段202から酸化剤ガスが供給される。燃料ガス入口マニホールド23aには、図1の燃料ガス供給手段203から燃料ガスが供給される。
Cooling water is supplied to the cooling
図3は、図2のA−A線断面図である。図3に示すように、発電部12は、パーフルオロスルホン酸等の固体高分子からなる電解質膜31を備える。発電部12は、電解質膜31とセパレータ11との間にカソード32を備え、電解質膜31とセパレータ13との間にアノード33を備える。カソード32およびアノード33は、電解質膜31側に白金担持カーボンからなる触媒層を備え、電解質膜31と反対側にカーボン等から構成されるガス拡散層を備える。
FIG. 3 is a cross-sectional view taken along line AA in FIG. As shown in FIG. 3, the
セパレータ11,13は、例えば波形状になるように凹凸状にプレス加工されている。それにより、セパレータ11,13の両面に複数の溝部が形成されている。これらの溝部が冷却水流路、酸化剤ガス流路および燃料ガス流路として用いられる。以下、詳細を説明する。
For example, the
セパレータ11と発電部12との間に空間を形成するセパレータ11の溝部42が後述する酸化剤ガス流路52として用いられる。セパレータ13と発電部12との間に空間を形成するセパレータ13の溝部43が後述する燃料ガス流路53として用いられる。セパレータ11とセパレータ13との間に空間を形成するセパレータ11の溝部41とセパレータ13の溝部44とが後述する冷却水流路51として用いられる。このように、セパレータ11,13の両面に形成された溝部を反応ガス流路および冷却水流路として用いることから、燃料電池200は積層方向に小型化される。
A
図4は、セパレータ11の発電部12とは反対側の面を示す平面図である。図4に示すように、セパレータ11の発電部12とは反対側の面には、X方向に1往復半蛇行する冷却水流路51が形成されている。冷却水流路51の直線部は、X方向にストライプ状に形成された複数の溝部41を含む。
FIG. 4 is a plan view showing a surface of the
また、セパレータ11の発電部12とは反対側の面には、冷却水入口マニホールド21aと複数の溝部41との間、冷却水出口マニホールド21bと複数の溝部41との間、および冷却水流路51の折り返し部に、ディンプル部54が形成されている。複数の溝部41と冷却水入口マニホールド21aおよび冷却水出口マニホールド21bとはこのディンプル部54を介して接続されている。ディンプル部54においては、格子点状に複数の突起部55が形成されている。複数の突起部55は、例えば、エンボス加工等により形成することができる。冷却水流路51の往路と復路とは、仕切り部によって仕切られている。この仕切り部は、プレス成形等により形成することができる。
Further, on the surface of the
図5は、セパレータ11の発電部12側の面を示す平面図である。したがって、図5は、図4に示したセパレータ11の裏面を示す。図5に示すように、セパレータ11の発電部12側の面には、X方向に1往復半蛇行する酸化剤ガス流路52が形成されている。酸化剤ガス流路52の直線部は、X方向にストライプ状に形成された複数の溝部42を含む。図3において説明したように、溝部42と図3の溝部41とは表裏一体的な関係を有する。
FIG. 5 is a plan view showing a surface of the
また、セパレータ11の発電部12側の面には、酸化剤ガス入口マニホールド22aと複数の溝部42との間、酸化剤ガス出口マニホールド22bと複数の溝部42との間、および酸化剤ガス流路52の折り返し部に、ディンプル部56が形成されている。複数の溝部42と酸化剤ガス入口マニホールド22aおよび酸化剤ガス出口マニホールド22bとはこのディンプル部56を介して接続されている。ディンプル部56は、図4のディンプル部54と表裏一体的に形成されている。このディンプル部56においては、ディンプル部54におけるそれぞれの突起部55の間に突起部57が形成されている。
Further, on the surface of the
以上のことから、酸化剤ガス流路52および冷却水流路51は、セパレータ11において表裏一体的な構造を有する。すなわち、酸化剤ガス流路52の位置の裏面に冷却水流路51が形成されている。冷却水入口マニホールド21aが酸化剤ガス入口マニホールド22aおよび酸化剤ガス流路52の冷却水入口マニホールド21aに接続されているディンプル部54と隣接していることから、酸化剤ガスおよび冷却水はセパレータ11のそれぞれの面において同一方向に流動する。すなわち、セパレータ11をいずれか一方の面から見た場合に、酸化剤ガスの流動方向と冷却水の流動方向とが一致する。
From the above, the oxidant
本実施例においては、酸化剤ガス入口マニホールド22aと溝部43との間にディンプル部56が形成され、冷却水流路51側の面のセパレータ11の対応する位置にはディンプル部54が形成されている。したがって、酸化剤ガス入口マニホールド22aと溝部43との間の流路が、冷却水流路51の形状に拘束されることはない。
In this embodiment, a
図6は、セパレータ13の発電部12側の面を示す平面図である。図6に示すように、セパレータ13の発電部12側の面には、X方向に1往復半蛇行する燃料ガス流路53が形成されている。燃料ガス流路53の直線部は、X方向にストライプ状に形成された複数の溝部43を含む。
FIG. 6 is a plan view showing a surface of the
また、セパレータ13の発電部12側の面には、燃料ガス入口マニホールド23aと複数の溝部43との間、燃料ガス出口マニホールド23bと複数の溝部43との間、および燃料ガス流路53の折り返し部に、ディンプル部58が形成されている。複数の溝部43と燃料ガス入口マニホールド23aおよび燃料ガス出口マニホールド23bとは、このディンプル部58を介して接続されている。ディンプル部58においては、格子点状に複数の突起部59が形成されている。複数の突起部59は、例えば、エンボス加工等により形成することができる。燃料ガス流路53の往路と復路とは、仕切り部によって仕切られている。この仕切り部は、プレス成形等により形成することができる。
Further, on the surface of the
なお、セパレータ13の発電部12とは反対側の面には、セパレータ11の発電部12とは反対側の面と同様の冷却水流路51が形成されている。本実施例においては、冷却水流路51の折り返し部にはディンプル部が形成されていることから、セパレータ13のセパレータ11側の面の形状は、裏面の冷却水流路51の形状に拘束されることはない。
A cooling
図7は、図2のB−B線断面図である。図7に示すように、ディンプル部54には複数の突起部55が形成され、ディンプル部56においては、複数の突起部57が形成され、ディンプル部58には複数の突起部59が形成されている。
7 is a cross-sectional view taken along line BB in FIG. As shown in FIG. 7, the
続いて、燃料電池200の動作について説明する。まず、燃料ガス供給手段203によって燃料ガス入口マニホールド23aに燃料ガスが供給される。また、酸化剤ガス供給手段202によって酸化剤ガス入口マニホールド22aに酸化剤ガスが供給される。さらに、冷却水循環ポンプ201によって冷却水入口マニホールド21aに冷却水が供給される。
Next, the operation of the
燃料ガスは、燃料ガス入口マニホールド23aから燃料ガス流路53に供給される。この場合、燃料ガスは、燃料ガス流路53を流動しつつ、アノード33に供給される。アノード33に供給された燃料ガス中の水素は、水素イオンに変換される。変換された水素イオンは、電解質膜31を伝導し、カソード32に到達する。
The fuel gas is supplied to the
酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口マニホールド22aから酸化剤ガス流路52に供給される。この場合、酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路52を流動しつつ、カソード32に供給される。カソード32に供給された酸化剤ガスに含まれる酸素とカソード32に到達した水素イオンとが反応し、水が発生するとともに電力が発生する。以上の行程により、燃料電池200の発電が行われる。
The oxidant gas is supplied to the oxidant
アノード33において消費されなかった燃料ガスは、燃料ガス流路53を流動し、燃料ガス出口マニホールド23bから排出される。また、カソード32において消費されなかった酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路52を流動し、酸化剤ガス出口マニホールド22bから排出される。また、冷却水は、冷却水入口マニホールド21aから冷却水流路51に供給される。冷却水は、冷却水流路51を流動しつつ、発電反応によって加熱された燃料電池200を冷却する。冷却水は、冷却水流路51を流動した後、冷却水出口マニホールド21bから排出され、冷却水循環ポンプ201を経由して再度冷却水流路51に供給される。
The fuel gas that has not been consumed in the
なお、図2および図6に示すように、燃料ガス流路53の直線部における燃料ガスの流動方向と酸化剤ガス流路52の直線部における酸化剤ガスの流動方向とは互いに逆である。この場合、燃料ガスの濃度分布と酸化剤ガスの濃度分布とが重複しなくなる。したがって、発電部12における発電分布のばらつきが抑制される。その結果、燃料電池200の発電効率が向上する。
As shown in FIGS. 2 and 6, the flow direction of the fuel gas in the straight portion of the
続いて、酸化剤ガスおよび冷却水の流動方向がもたらす効果について説明する。図8は、酸化剤ガスおよび冷却水の流動方向を示す模式図である。図8の実線矢印は冷却水の流動方向を示し、図8の破線矢印は酸化剤ガスの流動方向を示す。図8に示すように、冷却水および酸化剤ガスは、セパレータ11の表裏面において互いに同一の方向に蛇行しながら流動する。
Then, the effect which the flow direction of oxidant gas and cooling water brings is demonstrated. FIG. 8 is a schematic diagram showing the flow directions of the oxidant gas and the cooling water. The solid line arrows in FIG. 8 indicate the flow direction of the cooling water, and the broken line arrows in FIG. 8 indicate the flow direction of the oxidant gas. As shown in FIG. 8, the cooling water and the oxidant gas flow while meandering in the same direction on the front and back surfaces of the
図8の領域61に示すような酸化剤ガス入口マニホールド22a近傍においては、酸化剤ガスによってカソード32および電解質膜31が乾燥する傾向にある。酸化剤ガス供給手段202から供給される酸化剤ガスには水蒸気が含まれないからである。しかしながら、冷却水は領域61付近において最も低い温度を有する。領域61付近においては、冷却水はまだ燃料電池200の発電反応によって加熱されていないからである。したがって、領域61の温度は低下する。それにより、酸化剤ガスによるカソード32および電解質膜31の乾燥を抑制することができる。
In the vicinity of the oxidant
また、図8の領域62に示すような酸化剤ガス流路52の最初の折り返し領域においては、冷却水が燃料電池200の発電反応によって加熱されていることから、冷却水の温度は上昇している。それにより、領域62のカソード32においては発電反応によって発生する水の液体化が抑制される。したがって、発電反応によって生じた水の液体化が抑制される。領域62のような酸化剤ガス流路の折り返し部においては滞留する液体水の除去が困難であるが、本実施例に係る燃料電池200においては、領域62における液体水の滞留が抑制される。
Further, in the first folded region of the oxidant
さらに、図8の領域63に示すような酸化剤ガス流路52の2番目の折り返し領域においては、冷却水の温度はさらに上昇している。それにより、領域63のカソード32における水の液体化が抑制される。したがって、領域63における液体水の滞留が抑制される。以上のことから、酸化剤ガス流路52のいずれにおいても液体水の滞留が抑制される。したがって、発電セル間における反応ガス流量のばらつきが抑制される。
Further, in the second folded region of the oxidant
なお、本実施例においては、冷却水流路51、酸化剤ガス流路52および燃料ガス流路53はX方向に1往復半しているが、1往復半以上往復してもよい。その場合、酸化剤ガスの流動方向と冷却媒体の流動方向とが互いに逆向きであれば本発明の効果が得られる。
In this embodiment, the cooling
本実施例においては、セパレータ11が第1のセパレータに相当し、セパレータ13が第2のセパレータに相当し、溝部42が一面の凹部に相当し、溝部41が冷却媒体を形成する凹部に相当し、ディンプル部54,56,58が折り返し部およびマニホールド連通部に相当し、冷却水循環ポンプ201が冷却媒体供給手段に相当する。
In this embodiment, the
続いて、本発明の第2実施例に係る燃料電池200aについて説明する。燃料電池200aが第1実施例に係る燃料電池200と異なる点は、冷却水入口マニホールド21aと酸化剤ガス入口マニホールド22aとが逆に配置されている点および冷却水出口マニホールド21bと酸化剤ガス出口マニホールド22bとが逆に配置されている点である。図9は、燃料電池200aにおける酸化剤ガスおよび冷却水の流動方向を示す模式図である。図9の実線矢印は冷却水の流動方向を示し、図9の破線矢印は酸化剤ガスの流動方向を示す。
Subsequently, a
図9に示すように、酸化剤ガスの入口マニホールドと冷却水の入口マニホールドとが逆に配置されていても酸化剤ガスの入口マニホールドと冷却水の入口マニホールドとは隣接している。それにより、酸化剤ガスの流動方向と冷却水の流動方向とが一致する。その結果、第2に実施例に係る燃料電池200aにおいても本発明の効果が得られる。
As shown in FIG. 9, the oxidant gas inlet manifold and the cooling water inlet manifold are adjacent to each other even if the oxidant gas inlet manifold and the cooling water inlet manifold are arranged in reverse. Thereby, the flow direction of oxidant gas and the flow direction of cooling water correspond. As a result, the effects of the present invention can also be obtained in the
なお、酸化剤ガスの入口マニホールドと冷却水の入口マニホールドとが互いに隣接することによって酸化剤ガスの流動方向と冷却水の流動方向とが一致すれば、酸化剤ガス、冷却水および燃料ガスのマニホールドの位置は限定されない。酸化剤ガスの流路の直線部における流動方向と燃料ガスの流路の直線部における流動方向とは、互いに逆向きであることが好ましい。 If the flow direction of the oxidant gas and the flow direction of the cooling water coincide with each other because the inlet manifold for the oxidant gas and the inlet manifold for the cooling water are adjacent to each other, the manifolds for the oxidant gas, the cooling water, and the fuel gas The position of is not limited. The flow direction in the straight portion of the oxidant gas flow path and the flow direction in the straight line portion of the fuel gas flow path are preferably opposite to each other.
また、上記実施例においては酸化剤ガスの流動方向と冷却媒体の流動方向とが一致しているが、発電反応によってアノード側に水が発生するような燃料電池においては、燃料ガスの流動方向と冷却媒体の流動方向とを一致させることによって本発明の効果が得られる。 In the above embodiment, the flow direction of the oxidant gas and the flow direction of the cooling medium coincide with each other. However, in the fuel cell in which water is generated on the anode side by the power generation reaction, the flow direction of the fuel gas The effect of the present invention can be obtained by matching the flow direction of the cooling medium.
さらに、上記実施例においては鉛直方向における酸化剤ガス出口マニホールドの位置を規定していないが、酸化剤ガス出口マニホールドは、酸化剤ガス入口マニホールドよりも鉛直方向に下側であることが好ましい。この場合、酸化剤ガス流路において発生する液体水の排出が促進されるからである。 Furthermore, in the above embodiment, the position of the oxidant gas outlet manifold in the vertical direction is not defined, but the oxidant gas outlet manifold is preferably lower in the vertical direction than the oxidant gas inlet manifold. In this case, it is because discharge of the liquid water generated in the oxidant gas flow path is promoted.
11,13 セパレータ
12 発電部
21a 冷却水入口マニホールド
22a 酸化剤ガス入口マニホールド
23a 燃料ガス出口マニホールド
31 電解質膜
51 冷却水流路
52 酸化剤ガス流路
53 燃料ガス流路
54,56,58 ディンプル部
55,57,59 突起部
100,100a 燃料電池
200 燃料電池システム
201 冷却水循環ポンプ
202 酸化剤ガス供給手段
203 燃料ガス供給手段
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記酸化剤ガス流路および前記冷却媒体流路は、折り返し部によって同一の方向に折り返すサーペンタイン形状を有し、かつ、入口側および出口側の両方においてマニホールド連通部を介してマニホールドに接続され、
前記マニホールド連通部および前記折り返し部は、格子点状に形成された複数の突起部から構成され、
前記冷却媒体流路の入口側のマニホールドは、前記酸化剤ガス流路の入口側のマニホールドおよびマニホールド連通部に隣接し、
前記酸化剤ガス流路を流動する酸化剤ガスと前記冷却媒体流路を流動する冷却媒体とは、同一の方向に流動することを特徴とする燃料電池。 A first separator in which at least a part of the cross-section is corrugated, a concave portion on one surface forms an oxidant gas flow path, and a concave portion adjacent to the concave portion on the one surface on the other surface forms a cooling medium flow path;
The oxidant gas flow path and the cooling medium flow path have a serpentine shape that is folded back in the same direction by a turn-back portion, and are connected to the manifold via a manifold communication portion on both the inlet side and the outlet side,
The manifold communication portion and the folded portion are composed of a plurality of protrusions formed in a lattice point shape,
The manifold on the inlet side of the cooling medium flow path is adjacent to the manifold on the inlet side of the oxidant gas flow path and the manifold communication portion,
The fuel cell, wherein the oxidant gas flowing through the oxidant gas flow path and the cooling medium flowing through the cooling medium flow path flow in the same direction.
前記燃料ガス流路は、折り返し部によって折り返すサーペンタイン形状を有し、かつ、入口側および出口側の両方においてマニホールド連通部を介してマニホールドに接続され、
前記燃料ガス流路の入口側のマニホールドは、前記冷却媒体流路または前記酸化剤ガス流路の出口側のマニホールドに隣接し、
前記燃料ガス流路の直線部における燃料ガスの流動方向は、前記酸化剤ガスの直線部における流動方向と逆であることを特徴とする請求項1記載の燃料電池。 A fuel gas flow path is formed on the other surface, and a second separator facing the first separator across the power generation unit including the electrolyte membrane is provided.
The fuel gas flow path has a serpentine shape turned back by a turn-back portion, and is connected to the manifold via a manifold communication portion on both the inlet side and the outlet side,
The manifold on the inlet side of the fuel gas flow path is adjacent to the manifold on the outlet side of the cooling medium flow path or the oxidant gas flow path,
2. The fuel cell according to claim 1, wherein the flow direction of the fuel gas in the straight portion of the fuel gas flow path is opposite to the flow direction of the straight portion of the oxidant gas.
前記冷却媒体流路の入口側のマニホールドに冷却媒体を供給する冷却媒体供給手段と、
前記酸化剤ガス流路の入口側のマニホールドに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、
前記燃料ガス流路の入口側のマニホールドに燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段とを備えることを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell according to claim 2 or 3,
Cooling medium supply means for supplying a cooling medium to a manifold on the inlet side of the cooling medium flow path;
An oxidant gas supply means for supplying an oxidant gas to the manifold on the inlet side of the oxidant gas flow path;
A fuel cell system comprising fuel gas supply means for supplying fuel gas to a manifold on the inlet side of the fuel gas flow path.
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