JP2008027749A - 燃料電池 - Google Patents

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Abstract

【課題】流路抵抗、寸法誤差による流量のバラツキを小さくした燃料電池を提供する。
【解決手段】冷却水導入マニホールド21を長手方向の端部に設け、長手方向に沿い、かつ長手方向と直交する方向に空気導入マニホールド22を設け、冷却水導入マニホールド21と空気導入マニホールド22との間に水素導入マニホールド21を設ける。隣接する単位セル1間で、空気導入マニホールド22と空気流路31とを連結する拡散部32の背面と冷却水流路14とが向かい合い、冷却水流路14によって冷却水を流す。
【選択図】図1

Description

本発明は燃料電池に関するものである。
従来、燃料電池の水素流路などに水素を供給し、または水素流路から発電反応に使用されなかった排出水素などを排出するための複数のマニホールドを水素の主な流れ方向に対して両端側に設け、マニホールドと水素流路とを連通する拡散部を備えるものが、特許文献1に開示されている。
特開2003−77499号公報
しかし、金属セパレータを用いた場合には、例えば1つの金属セパレータにおいて、水素を水素流路へ供給する水素供給マニホールドと水素流路とを連結する拡散部と、冷却水を冷却水流路へ供給する冷却水供給マニホールドと冷却水流路とを連結する拡散部と、は単位セルの積層方向に重なる構成となっている。そのため、水素供給マニホールドと水素流路とを連結する拡散部と、冷却水供給マニホールドと冷却水流路とを連結する拡散部と、の深さを深くすることができず、流路抵抗が大きくなり、また拡散部の深さの寸法誤差による水素、または冷却水の配流(流量)のバラツキが大きくなり、均一な発電反応、または燃料電池の温度制御のバラツキが大きくなるといった問題点がある。
本発明ではこのような問題点を解決するために発明されたもので、水素、空気、冷却水を各流路へ拡散させる拡散部の深さを深くし、拡散部における流路抵抗を小さくし、寸法誤差による流量のバラツキの影響を小さくすることを目的とする。
本発明では、電解質膜と、電解質膜の両主面の一部に配設する一対の電極部と、電極部と向かい合う面に形成し、第1の反応ガスが流れる第1の反応ガス流路と、電極部と向かい合う面の背面に形成し、冷却水が流れる第1の冷却水流路と、を有する第1の金属セパレータと、電極部と向かい合う面に形成し、第2の反応ガスが流れる第2の反応ガス流路と、電極部と向かい合う面の背面に形成し、冷却水が流れる第2の冷却水流路と、を有する第2の金属セパレータと、を備えた単位セルを積層して構成する燃料電池において、第1の金属セパレータの端部に位置し、単位セルの積層方向に延設する冷却水マニホールドと、第1の反応ガスの流れに沿い、第1の反応ガスの流れ方向に交差する方向の端部側に位置し、第1の反応ガス流路と連通する第1の反応ガスマニホールドと、冷却水マニホールドと第1の反応ガスマニホールドとの間に配置し、単位セルの積層方向に延設して第2の反応ガス流路と連通する第2の反応ガスマニホールドと、を備える。第1の金属セパレータは、第1の反応ガスマニホールドと第1の反応ガス流路とを連結し、第1の反応ガス流路の溝深さと深さが略同一の第1の拡散部と、第1の拡散部に隣接し、冷却水マニホールドと連結して背面に冷却水が流れる凹部を有し、電解質膜側へ突出する突出部と、を備え、第2の金属セパレータは、第2の反応ガスマニホールドと第2の反応ガス流路とを連結し、第2の反応ガス流路の溝深さと深さが略同一の第2の拡散部を備える。そして、単位セルを積層した場合に、隣接する単位セル間では、第1の冷却水流路と第2の冷却水流路とが向かい合い、かつ凹部と、第2の冷却水流路の少なくとも一部と、が向かい合うことを特徴とする。
本発明によると、第1の反応ガスマニホールドと第1の反応ガス流路とを連結する第1の拡散部と、第2の反応ガスマニホールドと第2の反応ガス流路とを連結する第2の拡散部と、の深さを深くした場合でも、隣接する単位セル間において、第2の拡散部の背面を第1の冷却水流路によって冷却水を流すことができ、第1の拡散部及び第2の拡散部の流路抵抗を小さくし、寸法誤差による第1の反応ガス、第2の反応ガス及び冷却水の流量のバラツキの影響を小さくすることができる。
本発明の第1実施形態の燃料電池について図1の分解斜視図を用いて説明する。この実施形態の燃料電池は、図1に示す単位セル1を複数積層して構成するものである。
単位セル1は、電解質膜2と、電解質膜2の両主面の一部に設けられた一対の電極部3と、電解質膜2と電極部3とを挟持するアノードセパレータ(第2の金属セパレータ)4、カソードセパレータ5(第1の金属セパレータ)と、から構成する。
電極部3は、例えば多孔性のカーボンペーパであり、電解質膜2と当接する面に例えば白金などの触媒を担持する。
アノードセパレータ4について図2、図3を用いて詳しく説明する。図2は、アノードセパレータ4を電解質膜2から見た正面図であり、図3は背面図である。
アノードセパレータ4は、金属セパレータであり、プレス加工などによって成型される。
アノードセパレータ4は、電解質膜2と対向する面に、電解質膜2側へ突出する突部10と、隣り合う突部10によって形成され、水素(第2の反応ガス)が流れる水素流路(第2の反応ガス流路)11と、水素流路11に水素を導入する水素導入マニホールド(第2の反応ガスマニホールド)20と、後述する冷却水流路(第2の冷却水流路)14に冷却水を導入する冷却水導入マニホールド(冷却水マニホールド)21と、後述するカソードセパレータ5の空気流路(第1の反応ガス流路)31に空気(第1の反応ガス)を導入する空気導入マニホールド(第1の反応ガスマニホールド)22と、を備える。また、水素導入マニホールド20と水素流路11とを連通する拡散部(第2の拡散部)12を備える。アノードセパレータ4は、突部10の一部が電極部3と当接する。
拡散部12は、電解質膜2を挟んで後述するカソードセパレータ5のシール材36と向かい合う箇所に、リブ15を備える。リブ15によって、後述するシール材36の反力による電解質膜2の変形を防止し、空気のリークを防止することができる。
また、アノードセパレータ4は、水素流路11を形成する面の背面に、隣接する単位セル1のカソードセパレータ5と当接する突部13と、隣り合う突部13によって形成され、冷却水が流れる冷却水流路14と、を備える。
図2中のA−A断面図の一部概略を図4に示す。アノードセパレータ4は、水素流路11を形成する突部10の背面を冷却水流路14とし、冷却水流路14を形成する突部13の背面を水素流路11とする。つまり、水素流路11の溝底11aの背面に、隣接する単位セル1のカソードセパレータ5と当接する突部13が形成され、冷却水流路14の溝底14aの背面に、電極部3などと当接する突部10が形成される。
冷却水導入マニホールド21は、水素の主流な流れ方向となるアノードセパレータ4の長手方向(図2、3中x方向)の端部側であり、かつアノードセパレータ4の長手方向と直交する方向(図2、3中y方向)の端部側となる箇所に設けられる。また、アノードセパレータ4の長手方向に沿って冷却水導入マニホールドから離れた位置であり、かつ長手方向と直交する方向の端部側に空気導入マニホールド22が設けられ、冷却水導入マニホールド21と空気導入マニホールド22との間に、水素導入マニホールド20が設けられる。
アノードセパレータ4の水素流路11を形成した面には、アノードセパレータ4の外周部と、冷却水導入マニホールド21および空気導入マニホールド22との周辺部と、に水素などの外部へのリーク、水素と冷却水などが混合することを防止するシール材16を設ける。
また、冷却水流路14を形成した面には、隣接する単位セル1のカソードセパレータ5と溶接する溶接部17を設ける。なお、アノードセパレータ4と隣接するカソードセパレータ5とを接着しても良い。
次にカソードセパレータ5について図5、図6を用いて詳しく説明する。図5は、カソードセパレータ5を電解質膜2から見た正面図であり、図6は背面図である。
カソードセパレータ5は、金属セパレータであり、プレス加工などによって成型される。
カソードセパレータ5は、電解質膜2と対向する面に、電解質膜2側へ突出する突部30と、隣り合う突部30によって形成され、空気が流れる空気流路31と、空気流路31に空気を導入する空気導入マニホールド22と、空気導入マニホールド22と空気流路31とを連結する拡散部(第1の拡散部)32と、水素導入マニホールド20と、冷却水導入マニホールド21と、拡散部32に隣接して設けた突出部35と、を備える。カソードセパレータ5は、突部30が電極部3に当接する。
また、カソードセパレータ5は、空気流路31を形成する面の背面に、隣接する単位セル1のアノードセパレータ4と当接する突部33と、隣り合う突部33によって形成し、冷却水が流れる冷却水流路34と、を備える。
カソードセパレータ5は、アノードセパレータ4と同様に、空気流路31を形成する突部30の背面を冷却水流路34とし、冷却水流路34を形成する突部33の背面を空気流路31とする。
拡散部32は、単位セル1の積層方向への深さが、空気流路31と略同一の深さである。これにより、拡散部32流路抵抗を小さくし、拡散部32の圧損を小さくすることができる。また、拡散部32はリブ37を備える。リブ37は電解質膜2を挟んで、アノードセパレータ4のシール材16と向かい合う箇所に設けられる。これにより、単位セル1を積層した場合に、アノードセパレータ4のシール材16の反力による電解質膜2の変形を防止し、水素などのリークを防止することができる。
突出部35は、冷却水導入マニホールド21と、冷却水導入マニホールド21からカソードセパレータ5の長手方向に直交する方向へ延設し、さらにカソードセパレータ5の長手方向へ延設する。突出部35は電解質膜2側へ突出し、突出部35の背面には、冷却水導入マニホールド21から冷却水が流れる凹部35aを備える。突出部35の高さは、空気流路31を形成する突部30の高さと略同一の高さとすることが望ましい。
突出部35の凹部35aは、隣接する単位セル1のアノードセパレータ4の冷却水流路14の一部と向かい合い、凹部35aに流れた冷却水が冷却水流路14へ流れる。また、凹部35aは、アノードセパレータ4の長手方向と直交する方向において冷却水導入マニホールド21から一番遠い冷却水流路14と向かい合うように形成される。
隣接する単位セル1において、アノードセパレータ4に設けた冷却水流路14の一部とカソードセパレータ5に設けた冷却水流路34とは向かい合うように形成され、アノードセパレータ4に設けた冷却水流路14とカソードセパレータ5に設けた冷却水流路34とによって一つの冷却水流路を形成する。
カソードセパレータ5において空気流路31を形成した面には、カソードセパレータ5の外周部と、水素導入マニホールド20および冷却水導入マニホールド21の周辺部と、に空気などの外部へのリーク、および空気と冷却水などが混ざることを防止するシール材36を設ける。
なお、単位セル1から発電に使用されなかった水素、空気などを排出する水素排出マニホールド、空気排出マニホールドなどについての説明は省略するが、上記した水素導入マニホールド20などの形状を、アノードセパレータ4の中心点に対して点対称とした位置などに配置する。
ここで、単位セル1を複数積層した場合の冷却水の流れについて、図8、図9の概略断面図を用いて説明する。図8、図9の概略断面図は、単位セル1の一部を示す断面図であり、図7に示す箇所の断面図である。図7は、隣接する単位セル1のアノードセパレータ4とカソードセパレータ5を示す図である。図8、図9においては説明のため各部材間に隙間を設ける。また、図8、図9では水素が存在する箇所を実線のハッチング、空気が存在する箇所を破線のハッチング、冷却水が存在する箇所を一点鎖線のハッチングで示す。
水素導入マニホールド20から導入された水素は、拡散部12を介して水素流路11へ流れる。空気導入マニホールド22から導入された空気は、拡散部32を介して空気流路31へ流れる。
冷却水は、冷却水導入マニホールド21からカソードセパレータ5の凹部35aへまず流れ、(図8(a)、図9(a)、(b))水素導入マニホールド20と水素流路11とを連結する拡散部12の背面と向かい合う凹部35aを通って冷却水はさらに流れる(図8(b)、図9(a)、(b))。そして、凹部35aとアノードセパレータ4の冷却水流路14が向かい合うと、凹部35aと向かい合うアノードセパレータ4の冷却水流路14へ流れる(図8(c)、図9(b))。拡散部32の深さは、空気流路31の溝の深さと略同じ深さである。そのため凹部35aからカソードセパレータ5の冷却水流路34へ直接冷却水は流れない(図8(d)、図9(a))。しかし、凹部35aと向かい合うアノードセパレータ4の冷却水流路14を通って拡散部32の背面を冷却水が流れる(図8(d)、図9(b))。そして、拡散部32の背面よりも下流側において冷却水流路14と冷却水流路34とが向かい合うと、冷却水流路14を流れる冷却水の一部が冷却水流路34へ流れる(図8(e)、図9(b))。
本発明の第1実施形態の効果について説明する。
この実施形態では、冷却水導入マニホールド21をアノードセパレータ4の端部側に設け、空気流路31に空気を導入する空気導入マニホールド22を水素の主な流れ方向となる長手方向に沿って、かつ長手方向と直交する方向の端部に設け、冷却水導入マニホールド21と空気導入マニホールド22との間に水素導入マニホールド21を設ける。空気導入マニホールド22と空気流路31とを深さが空気流路31と略同一の深さの拡散部32によって連結する。カソードセパレータ5は、空気導入マニホールド22と空気流路31とを連結し、深さが空気流路31と略同一の拡散部32と、拡散部32に隣接し、冷却水導入マニホールド21と連結して冷却水が流れる凹部35aを背面に有し、電解質膜2側へ突出する突出部35と、を備える。アノードセパレータ4は、水素導入マニホールド21と水素流路11とを連結し、深さが水素流路11と略同一の深さである拡散部12を備える。隣接する単位セル1間では、凹部35aと冷却水流路14とが向かい合い、さらに下流側では冷却水流路14と冷却水流路34とが向かい合う。これによって、拡散部12、32の深さをそれぞれ水素流路11、空気流路31と略同一とした場合でも、冷却水導入マニホールド21から凹部35a、冷却水流路14、34を介して冷却水を流すことができる。そのため、拡散部12、32における流路抵抗を小さくし、拡散部32の寸法誤差による冷却水、空気の流量のバラツキの影響を小さくすることができる。単位セル1の発電を均一にすることができ、また温度のバラツキを小さくすることができる。
また、アノードセパレータ4、カソードセパレータ5の単位セル積層方向の高さを大きくせずに、水素流量などのバラツキを小さくすることができるので、単位セル積層方向の大きさを小さくすることができる。
次に本発明の第2実施形態について図10を用いて説明する。この実施形態については第1実施形態と異なる部分を中心に説明する。なお、第1実施形態と同じ構成のものについては、同じ符号を付し、ここでの説明は省略する。図10はカソードセパレータ40を電解質膜2から見た正面図である。なお、図10では電極部41を配置する領域を破線で示す。
カソードセパレータ40は、空気導入マニホールド22と空気流路31とを連結する拡散部42に先端の高さが空気流路31を形成する突部30と略同じ高さとなる、突部43を備える。
突部43は、円筒形状であり、拡散部42に複数設けられる。また、突部43によって、拡散部42における空気の流れを整流することができる。
これにより、電極部41を拡散部42の突部43を設けた領域にも配置することができる。そのため、単位セルあたりの発電量を大きくすることができる。
本発明の第2実施形態の効果について説明する。
この実施形態では、カソードセパレータ40の拡散部42に空気流路31を形成する突部30と高さが略同一の突部43を設ける。これにより、電極部41を拡散部42まで設けることができ、単位セルあたりの発電量を多くすることができ、燃料電池の発電効率を向上することができる。
次に本発明の第3実施形態について説明する。この実施形態については第1実施形態と異なる部分を中心に説明する。なお、第1実施形態と同じ構成のものについては、同じ符号を付し、ここでの説明は省略する。
アノードセパレータ50について図11、図12を用いて詳しく説明する。図11はアノードセパレータ50を電解質膜2から見た正面図であり、図12は背面図である。
アノードセパレータ50は、水素の主な流れ方向となるアノードセパレータ50の長手方向の端部に冷却水導入マニホールド51を備える。
冷却水導入マニホールド51は、長手方向と直交する方向へ延設して設けられ、アノーセパレータ50の長手方向と直交する方向における冷却水マニホールド51の幅は、アノードセパレータ50における水素流路11を形成する箇所の幅と、略同一の幅とする。
カソードセパレータ60について図13、図14を用いて説明する。図13はカソードセパレータ60を電解質膜2から見た正面図であり、図14は背面図である。
カソードセパレータ60は、冷却水導入マニホールド51からカソードセパレータ60の長手方向へ延設する突出部61を備える。
突出部61は、電解質膜2側へ突出し、突出部61の背面には、冷却水導入マニホールド51から冷却水が流れる凹部61aを備える。突出部61の高さは、空気流路31を形成する突部30の高さと略同一の高さとすることが望ましい。
突出部61の凹部61aは、隣接する単位セル1のアノードセパレータ50の冷却水流路14の一部と向かい合い、凹部35aに流れた冷却水が冷却水流路14へ流れる。また、凹部35aは、アノードセパレータ4の長手方向と直交する方向において冷却水導入マニホールド21から一番遠い冷却水流路14と向かい合うように形成される。
ここで、単位セルを複数積層した場合の冷却水の流れについて、図16、図17の概略断面図を用いて説明する。図16、図17の概略断面図は、単位セルの一部を示す断面図であり、図15に示す箇所の断面図である。図15は、隣接する単位セルのアノードセパレータ50とカソードセパレータ60を示す図である。図16、図17においては説明のため各部材間に隙間を設ける。また、図16、図17では水素が存在する箇所を実線のハッチング、空気が存在する箇所を破線のハッチング、冷却水が存在する箇所を一点鎖線のハッチングで示す。
水素導入マニホールド20から導入された水素は、拡散部12を介して水素流路11へ流れる。空気導入マニホールド22から導入された空気は、拡散部32を介して空気流路31へ流れる。
冷却水は、冷却水導入マニホールド51からカソードセパレータ5の凹部61aへまず流れ、水素導入マニホールド20と水素流路11とを連結する拡散部12の背面と向かい合う凹部61aを通って冷却水はさらに流れる(図16(a)、図17(a)、(b))。そして、凹部61aとアノードセパレータ4の冷却水流路14が向かい合うと、凹部61aと向かい合うアノードセパレータ4の冷却水流路14へ流れる(図16(b)、図17(b))。拡散部32の深さは、空気流路31の溝の深さと略同じ深さである。そのため凹部61aからカソードセパレータ5の冷却水流路34へ直接冷却水は流れない(図16(c)、図17(a))。しかし、凹部61aと向かい合うアノードセパレータ4の冷却水流路14を通って拡散部32の背面を冷却水が流れる(図16(c)、図17(b))。そして、拡散部32の背面よりも下流側において冷却水流路14と冷却水流路34とが向かい合うと、冷却水流路14を流れる冷却水の一部が冷却水流路34へ流れる(図16(d)、図17(b))。
本発明の第3実施形態の効果について説明する。
この実施形態では、冷却水導入マニホールド51を長手方向の端部に設けることで、燃料電池を小型にすることができる。
本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、その技術的思想の範囲内でなしうるさまざまな変更、改良が含まれることは言うまでもない。
本発明の第1実施形態の燃料電池の分解斜視図である。 本発明の第1実施形態のアノードセパレータの正面図である。 本発明の第1実施形態のアノードセパレータの背面図である。 図2のA−A断面図である。 本発明の第1実施形態のカソードセパレータの正面図である。 本発明の第1実施形態のカソードセパレータの背面図である。 本発明の第1実施形態の隣接するアノードセパレータとカソードセパレータとの図である。 (a)図7のA−A断面図である。(b)図7のB−B断面図である。(c)図7のC−C断面図である。(d)図7のD−D断面図である。(e)図7のE−E断面図である。 (a)図7のF−F断面図である。(b)図7のG−G断面図である。 本発明の第2実施形態のカソードセパレータの正面図である。 本発明の第3実施形態のカソードセパレータの正面図である。 本発明の第3実施形態のカソードセパレータの背面図である。 本発明の第3実施形態のアノードセパレータの正面図である。 本発明の第3実施形態のアノードセパレータの背面図である。 本発明の第1実施形態の隣接するアノードセパレータとカソードセパレータとの図である。 (a)図15のA−A断面図である。(b)図15のB−B断面図である。(c)図15のC−C断面図である。(d)図15のD−D断面図である。 (a)図15のE−E断面図である。(b)図15のF−F断面図である。
符号の説明
1 単位セル
2 電解質膜
3、41 電極部
4、50 アノードセパレータ(第2の金属セパレータ)
5、40、60 カソードセパレータ(第1の金属セパレータ)
11 水素流路(第2の反応ガス流路)
12 拡散部(第2の拡散部)
14 冷却水流路(第2の冷却水流路)
20 水素導入マニホールド(第2の反応ガスマニホールド)
21、51 冷却水導入マニホールド(冷却水マニホールド)
22 空気導入マニホールド(第1の反応ガスマニホールド)
31 空気流路(第1の反応ガス流路)
32 拡散部(第1の拡散部)
34 冷却水流路(第1の冷却水流路)
35、61 突出部
35a、61a 凹部
43 突部

Claims (4)

  1. 電解質膜と、
    前記電解質膜の両主面の一部に配設する一対の電極部と、
    前記電極部と向かい合う面に形成し、第1の反応ガスが流れる第1の反応ガス流路と、前記電極部と向かい合う面の背面に形成し、冷却水が流れる第1の冷却水流路と、を有する第1の金属セパレータと、
    前記電極部と向かい合う面に形成し、第2の反応ガスが流れる第2の反応ガス流路と、前記電極部と向かい合う面の背面に形成し、冷却水が流れる第2の冷却水流路と、を有する第2の金属セパレータと、を備えた単位セルを積層して構成する燃料電池において、
    前記第1の金属セパレータの端部に位置し、前記単位セルの積層方向に延設する冷却水マニホールドと、
    前記第1の反応ガスの流れに沿って前記冷却水マニホールドと離れた位置であり、前記第1の反応ガスの流れ方向に交差する方向の端部側に位置し、前記第1の反応ガス流路と連通する第1の反応ガスマニホールドと、
    前記冷却水マニホールドと前記第1の反応ガスマニホールドとの間に配置し、前記単位セルの積層方向に延設して前記第2の反応ガス流路と連通する第2の反応ガスマニホールドと、を備え、
    前記第1の金属セパレータは、
    前記第1の反応ガスマニホールドと前記第1の反応ガス流路とを連結し、前記第1の反応ガス流路の溝深さと深さが略同一の第1の拡散部と、
    前記第1の拡散部に隣接し、前記冷却水マニホールドと連結して背面に前記冷却水が流れる凹部を有し、前記電解質膜側へ突出する突出部と、を備え、
    前記第2の金属セパレータは、
    前記第2の反応ガスマニホールドと前記第2の反応ガス流路とを連結し、前記第2の反応ガス流路の溝深さと深さが略同一の第2の拡散部を備え、
    前記単位セルを積層した場合に、隣接する前記単位セル間では、前記第1の冷却水流路と前記第2の冷却水流路とが向かい合い、かつ前記凹部と、前記第2の冷却水流路の少なくとも一部と、が向かい合うことを特徴とする燃料電池。
  2. 前記第1の反応ガスは、酸化剤ガスであり、
    前記第1拡散部は、前記電極部と当接する複数の突部を備えることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池。
  3. 前記突部は円柱形状であることを特徴とする請求項2に記載の燃料電池。
  4. 前記第冷却水マニホールドは、前記第1の反応ガスの流れ方向の端部に位置し、第1の反応ガスの流れ方向に交差する方向の幅が、第1の金属セパレータにおける第1の反応ガス流路を設けた領域の第1の反応ガスの流れ方向に交差する方向の幅と略同一であることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池。

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