JP2008034301A - Accelerating drainage of fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、燃料電池内部で凝縮した凝縮水の排出を促進する技術に関する。 The present invention relates to a technique for promoting discharge of condensed water condensed inside a fuel cell.
燃料電池は、通常、単セルとセパレータとを交互に積層することにより構成される。この場合、燃料電池に供給される燃料ガスと酸化ガス(これらのガスは、併せて「反応ガス」とも呼ばれる)は供給用マニホールドを介して電気化学反応を行う単セルに供給され、使用済みの反応ガス(排出ガス)は、単セルから排出用マニホールドを介して燃料電池から排出される。このような燃料電池において、積層方向の長さを短縮するために、セパレータを積層構造とし、マニホールドと単セルと間の反応ガスの給排をセパレータに設けられた貫通孔を介して行うことが提案されている(特許文献1参照)。 A fuel cell is usually configured by alternately stacking single cells and separators. In this case, the fuel gas and the oxidizing gas (these gases are also referred to as “reactive gas”) supplied to the fuel cell are supplied to a single cell that performs an electrochemical reaction via a supply manifold and are used. The reactive gas (exhaust gas) is discharged from the fuel cell through the discharge manifold from the single cell. In such a fuel cell, in order to shorten the length in the stacking direction, the separator is formed in a stacked structure, and the reaction gas is supplied and discharged between the manifold and the single cell through a through hole provided in the separator. It has been proposed (see Patent Document 1).
しかしながら、セパレータに設けられた貫通孔は、単セル内で生成された水などが単セル内で凝縮した水(凝縮水)により閉塞する場合がある。貫通孔が閉塞すると、単セル内での反応ガスの流れが不均一となり、燃料電池の発電特性が低下する可能性がある。 However, the through hole provided in the separator may be blocked by water (condensed water) in which water generated in the single cell is condensed. When the through hole is blocked, the flow of the reaction gas in the single cell becomes uneven, and the power generation characteristics of the fuel cell may be deteriorated.
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、単セル内の凝縮水の排出を促進することにより、単セルから排出用マニホールドに反応ガスを排出する貫通孔の閉塞を抑制することを目的とする。 The present invention has been made in order to solve the above-described conventional problems. By promoting the discharge of condensed water in a single cell, the present invention closes a through hole that discharges a reaction gas from the single cell to a discharge manifold. It aims at suppressing.
上記目的の少なくとも一部を達成するために、本発明の燃料電池は、単セルとセパレータとを交互に積層することにより形成される燃料電池であって、前記単セルから排出される排出ガスを前記燃料電池から排出するためのガス排出マニホールドを備え、前記単セルは、前記セパレータを構成するセパレータ構成部材を前記単セルと前記セパレータの積層方向に貫通する貫通孔を介して前記ガス排出マニホールドに連通されており、前記燃料電池は、前記単セル内で凝縮した凝縮水の前記単セルから前記ガス排出マニホールドへの前記貫通孔を介した排出を促進する排水促進部材を備え、前記排水促進部材は、前記単セル内の凝縮水が前記貫通孔内部において固体表面に接触する単位体積あたりの接触面積を増加させることにより、前記凝縮水の排出を促進することを特徴とする。 In order to achieve at least a part of the above object, a fuel cell of the present invention is a fuel cell formed by alternately stacking single cells and separators, and the exhaust gas discharged from the single cells is reduced. A gas discharge manifold for discharging from the fuel cell is provided, and the single cell is connected to the gas discharge manifold through a through-hole penetrating a separator constituting member of the separator in a stacking direction of the single cell and the separator. The fuel cell is provided with a drainage promotion member that promotes drainage of condensed water condensed in the single cell from the single cell to the gas discharge manifold through the through hole, and the drainage promotion member Increases the contact area per unit volume at which the condensed water in the single cell contacts the solid surface inside the through-hole. Characterized in that to promote the discharge.
この構成によれば、貫通孔内部における凝縮水の接触面積が増加することにより、凝縮水は、単セルから貫通孔内部に引き寄せられ、凝縮水の排出が促進される。そして、凝縮水の排出の促進により、単セル内の凝縮水の量を低下させることができるので、単セル内の凝縮水による貫通孔の閉塞を抑制することができる。 According to this configuration, when the contact area of the condensed water in the through hole increases, the condensed water is drawn from the single cell to the inside of the through hole, and the discharge of the condensed water is promoted. And since the quantity of the condensed water in a single cell can be reduced by promotion of discharge | emission of condensed water, obstruction | occlusion of the through-hole by the condensed water in a single cell can be suppressed.
前記排水促進部材は、前記貫通孔の前記ガス排出マニホールド側開口端から前記単セル側に向かって前記貫通孔内に挿入されているものとしても良い。 The drainage promotion member may be inserted into the through hole from the gas discharge manifold side opening end of the through hole toward the single cell side.
この構成によれば、排水促進部材に移動した凝縮水は、排水促進部材を伝うことにより、貫通孔のガス排出マニホールド側開口端まで容易に移動する。そのため、凝縮水のガス排出マニホールドへの排出がより容易となる。 According to this configuration, the condensed water that has moved to the drainage promotion member easily moves to the gas discharge manifold side opening end of the through hole by passing through the drainage promotion member. Therefore, it becomes easier to discharge the condensed water to the gas discharge manifold.
前記排水促進部材は多孔質体であるものとしても良い。 The drainage promotion member may be a porous body.
この構成によれば、凝縮水は、保水力を有する排水促進部材内部の水と繋がることにより、より容易にガス排出マニホールド側に移動するので、単セルからの凝縮水の排水がより促進される。 According to this configuration, the condensed water is more easily moved to the gas discharge manifold side by being connected to the water inside the drainage promotion member having a water retention capacity, so that the drainage of the condensed water from the single cell is further promoted. .
前記排水促進部材は、前記ガス排出マニホールド側開口端よりも前記単セル側に配置される挿入部と、前記挿入部中の凝縮水を前記ガス排出マニホールド側に導出する水導出部と、を有するものとしても良い。 The drainage promotion member has an insertion portion that is disposed closer to the single cell than the opening end on the gas discharge manifold side, and a water lead-out portion that leads the condensed water in the insertion portion to the gas discharge manifold side. It is good as a thing.
この構成によれば、挿入部内の凝縮水は、水導出部に引き寄せられ、挿入部内の保水量が低下する。そのため、挿入部内に保持される凝縮水による貫通孔の閉塞を抑制することができる。 According to this structure, the condensed water in an insertion part is drawn near to a water derivation | leading-out part, and the water retention amount in an insertion part falls. Therefore, it is possible to suppress the clogging of the through hole due to the condensed water held in the insertion portion.
前記水導出部は、前記挿入部よりも鉛直方向の断面積が大きいものとしても良い。 The water lead-out part may have a larger vertical sectional area than the insertion part.
この構成によれば、排水促進部材の形状の設定により水導出部を形成することができるので、排水促進部材をより容易に形成することができる。 According to this configuration, since the water outlet portion can be formed by setting the shape of the drainage promotion member, the drainage promotion member can be formed more easily.
前記燃料電池は、さらに、前記排水促進部材の前記ガス排出マニホールド側端に接触するように設けられ、前記多孔質体よりも保水性が高い吸水部材を備えるものとしても良い。 The fuel cell may further include a water absorbing member that is provided so as to be in contact with the end of the drainage promotion member on the side of the gas discharge manifold and has higher water retention than the porous body.
この構成によれば、排水促進部材から吸水部材に凝縮水が引き寄せられるので、排水促進部材内の凝縮水の量を抑制することができる。そのため、排水促進部材内に保持される凝縮水による貫通孔の閉塞を抑制することができる。 According to this configuration, since condensed water is drawn from the drainage promotion member to the water absorption member, the amount of condensed water in the drainage promotion member can be suppressed. Therefore, it is possible to suppress the clogging of the through hole due to the condensed water held in the drainage promotion member.
前記排水促進部材は、前記貫通孔の内径よりも外径が小さい棒状部材であり、前記貫通孔と前記棒状部材の間の間隙を介して前記凝縮水が排出されるものとしても良い。 The drainage promotion member may be a rod-shaped member having an outer diameter smaller than the inner diameter of the through-hole, and the condensed water may be discharged through a gap between the through-hole and the rod-shaped member.
この構成によっても、貫通孔内部における凝縮水の接触面積が増加することにより、凝縮水は、単セルから貫通孔内部に引き寄せられ、凝縮水の排出が促進される。 Also with this configuration, when the contact area of the condensed water inside the through hole is increased, the condensed water is drawn from the single cell into the through hole, and the discharge of the condensed water is promoted.
前記排水促進部材は、排出された凝縮水の一部を前記排水促進部材に接触させることにより前記貫通孔内に保持する部材であるものとしても良い。 The drainage promotion member may be a member that holds a part of the discharged condensed water in the through hole by bringing the drainage promotion member into contact with the drainage promotion member.
この構成によれば、貫通孔の単セル側開口端に形成された水滴が貫通孔に保持された凝縮水と接触することにより、貫通孔内部における凝縮水の接触面積が増加する。そのため、凝縮水は、単セルから貫通孔内部に引き寄せられ、凝縮水の排出が促進される。 According to this structure, the contact area of the condensed water inside a through-hole increases because the water droplet formed in the single cell side opening end of a through-hole contacts with the condensed water hold | maintained at the through-hole. Therefore, the condensed water is drawn from the single cell to the inside of the through hole, and the discharge of the condensed water is promoted.
前記排水促進部材は、親水性を有するものとしても良い。 The drainage promotion member may be hydrophilic.
この構成によれば、凝縮水が排水促進部材に付着することにより、単セルから貫通孔内部により容易に引き寄せられる。そのため、凝縮水の排出が促進され、貫通孔の閉塞を抑制することができる。 According to this configuration, the condensed water adheres to the drainage promotion member, so that it is easily drawn from the single cell to the inside of the through hole. Therefore, the discharge of the condensed water is promoted, and the blocking of the through hole can be suppressed.
前記単セルは、膜電極接合体と、多孔質体で構成され前記膜電極接合体に接するように設けられたガス拡散層と、を有しており、前記ガス拡散層は、前記排出ガスの前記単セル内における流路を形成するものとしても良い。 The single cell includes a membrane electrode assembly, and a gas diffusion layer formed of a porous body so as to be in contact with the membrane electrode assembly, and the gas diffusion layer contains the exhaust gas. It is good also as what forms the flow path in the said single cell.
この構成によれば、多孔質体で形成されたガス拡散層からの排水を促進することができる。そのため、凝縮水が容易に残留し、貫通孔の閉塞を生じやすい多孔質体によりガス流路を形成した場合においても、多孔質体からの排水が促進されるので、多孔質体内の凝縮水による貫通孔の閉塞をより容易に抑制することができる。 According to this configuration, drainage from the gas diffusion layer formed of the porous body can be promoted. Therefore, even when the gas flow path is formed by a porous body that easily retains condensed water and easily closes the through-hole, drainage from the porous body is promoted. The blockage of the through hole can be more easily suppressed.
前記セパレータは、前記単セルに接する側から、前記セパレータ構成部材である第1の板と、第2および第3の板とをこの順に積層することにより形成され、前記第1の板と前記第2の板と前記第3の板は、それぞれ積層した際に前記ガス排出マニホールドを形成するマニホールド穴を有し、前記第2の板は、前記貫通孔と、前記ガス排出マニホールドと、を連通する連通流路を形成する連通流路穴を有し、前記第3の板は、前記連通流路穴に接する位置に、ガス不透性の部材を有するものとしても良い。 The separator is formed by laminating the first plate, which is the separator constituting member, and the second and third plates in this order from the side in contact with the single cell, and the first plate and the first plate The second plate and the third plate each have a manifold hole that forms the gas discharge manifold when stacked, and the second plate communicates the through hole and the gas discharge manifold. A communication channel hole that forms a communication channel may be provided, and the third plate may include a gas-impermeable member at a position in contact with the communication channel hole.
単セル内の凝縮水の排出を促進する排水促進部材は、構成が簡単であるため、その大きさを小さくすることが可能である。そのため、貫通孔からガス排出マニホールドに至る連通流路が小さい、3枚の板により構成されるセパレータを用いた燃料電池であっても、単セル内の凝縮水の排出を促進することができる。 Since the drainage promotion member that promotes the discharge of the condensed water in the single cell has a simple configuration, the size of the drainage promotion member can be reduced. Therefore, even in a fuel cell using a separator constituted by three plates having a small communication flow path from the through hole to the gas discharge manifold, the discharge of condensed water in the single cell can be promoted.
なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能であり、例えば、燃料電池およびその燃料電池を利用した燃料電池システム、また、その燃料電池システムを利用した発電装置およびその燃料電池システムを搭載した電気自動車等の態様で実現することができる。 The present invention can be realized in various modes. For example, a fuel cell and a fuel cell system using the fuel cell, and a power generation device using the fuel cell system and the fuel cell system are provided. It can be realized in the form of a mounted electric vehicle or the like.
次に、本発明を実施するための最良の形態を実施例に基づいて以下の順序で説明する。
A.第1実施例:
B.第2実施例:
C.第3実施例:
D.第4実施例:
E.第5実施例:
F.第6実施例:
G.変形例:
Next, the best mode for carrying out the present invention will be described in the following order based on examples.
A. First embodiment:
B. Second embodiment:
C. Third embodiment:
D. Fourth embodiment:
E. Example 5:
F. Example 6:
G. Variation:
A.第1実施例:
図1は、本発明の第1実施例としての燃料電池100の概略構成を示す説明図である。燃料電池100は、単セル200とセパレータ300とを交互に積層することにより構成されている。このように、単セル200とセパレータ300とを積層した構造は、一般に「スタック」と呼ばれる。なお、図1は、図1の上方が鉛直上方となるように描かれている。本明細書において、特に断らない限り、図面は、図1と同様に上方が鉛直上方となるように描かれている。
A. First embodiment:
FIG. 1 is an explanatory diagram showing a schematic configuration of a
単セル200は、膜電極接合体210と、膜電極接合体210に接するように設けられたアノード側拡散層220およびカソード側拡散層230(以下、これらを併せて「ガス拡散層」とも呼ぶ)と、を備えている。
The
膜電極接合体210は、電解質膜の両面に触媒電極を形成することにより形成されている。電解質膜としては、例えば、プロトン伝導性の固体高分子電解質からなるイオン交換膜を使用することができる。触媒電極は、例えば、電気化学反応を促進する触媒を担持したカーボン粉末を電解質膜に塗布することにより形成される。カーボン粉末に担持される触媒としては、白金、あるいは、白金と他の金属からなる合金などを使用することができる。
The
ガス拡散層220,230は、導電性とガス透過性とを有する多孔質体である。ガス拡散層220,230は、例えば、チタンなどの金属多孔質体や、カーボンフェルトにより形成することができる。これらのガス拡散層220,230が有する空孔は、燃料電池100で使用される燃料ガスと酸化剤ガス(以下、これらを併せて「反応ガス」とも呼ぶ)との流路を形成する。そのため、ガス拡散層220,230は、流路形成部材ともいうことができる。
The gas diffusion layers 220 and 230 are porous bodies having conductivity and gas permeability. The gas diffusion layers 220 and 230 can be formed of, for example, a porous metal such as titanium or carbon felt. The pores of these gas diffusion layers 220 and 230 form a flow path for the fuel gas and the oxidant gas (hereinafter also referred to as “reaction gas”) used in the
膜電極接合体210とガス拡散層220,230との外周には、シリコーンゴムなどのガス不透性と弾力性と耐熱性とを有する材料で形成されたシール部材240が設けられている。シール部材240には、ガス拡散層220,230を配置するための穴242が設けられている。このシール部材240に設けられた穴242には、さらに膜電極接合体210を保持するための溝244が設けられている。
A
図1に示すセパレータ300は、アノード側プレート400と、中間プレート500と、カソード側プレート600と、をこの順に図1の左側から積層することにより構成されている。3つのプレート400,500,600は、それぞれ、種々の形状の穴がプレス成形により形成された平板である。これらのプレート400,500,600は、チタンやステンレスなどのガス不透性と導電性とを有する材料で形成されている。
The
図1に示すように、セパレータ300を構成する各プレート400,500,600およびシール部材240には、図1の上方の位置と下方の位置とのそれぞれに、スタックの積層方向、すなわち各部材の厚さ方向に各部材を貫通する穴が設けられている。これらの穴は、プレート400,500,600とシール部材240とが積層されることにより、スタックの積層方向に沿った流路110,120(一般に、「マニホールド」と呼ばれる。)を形成する。第1実施例の燃料電池100は、6つのマニホールドを有しているが、図1では、図示の便宜上、図の上方と下方に位置する2つのマニホールド110,120のみが示されている。なお、以下では、スタックの各部材に設けられ、各部材を積層することによりマニホールドを形成する穴を「マニホールド穴」とも呼ぶ。
As shown in FIG. 1, each of the
第1のマニホールド(酸化剤ガス供給マニホールド)110には、図の左方から酸素(O2)を含む酸化剤ガスが供給される。酸化剤ガス供給マニホールド110に供給された酸化剤ガスは、カソード側プレート600に設けられカソード側プレート600の厚さ方向に貫通する貫通孔(酸化剤ガス供給孔)620を通して、単セル200のカソード側拡散層230に供給される。カソード側拡散層230では、膜電極接合体210における電気化学反応により、酸化剤ガス中の酸素が消費されるとともに、水分が生成される。そのため、酸化剤ガスは、カソード側拡散層230内を通過する間に、その酸素濃度が低下するとともに、生成された水分により湿潤状態となる。
An oxidant gas containing oxygen (O 2 ) is supplied to the first manifold (oxidant gas supply manifold) 110 from the left side of the figure. The oxidant gas supplied to the oxidant
酸素濃度が低下し湿潤状態となった酸化剤ガス(カソードオフガス)は、カソード側拡散層230から、カソード側プレート600に設けられた貫通孔(カソードオフガス排出孔)630を通して、第2のマニホールド(カソードオフガス排出マニホールド)120に排出される。カソードオフガス排出マニホールド120に排出されたカソードオフガスは、図1の左方に排出される。このとき、カソード側拡散層230内を流れる酸化剤ガス中の水分は、その一部がカソードオフガスに含まれる水蒸気としてカソードオフガス排出マニホールド120に排出され、残りの一部が凝縮した液体の水(凝縮水)としてカソード側拡散層230に残留する。
The oxidant gas (cathode off-gas) that has become wet due to a decrease in oxygen concentration passes through the second manifold (cathode off-gas discharge hole) 630 provided in the cathode-
カソード側拡散層230は、多孔質体で形成されているため、水は毛細管現象によりカソード側拡散層230に保持される。カソード側拡散層230に保持された水は、水の排出経路であるカソードオフガス排出孔630付近の構造や表面性状等によって定まる上限水量を超えると、カソードオフガス排出孔630からカソードオフガス排出マニホールド120に排出される。
Since the cathode
図1に示す燃料電池100のカソード側拡散層230には、カソードオフガス排出孔630の位置に穴が設けられている。そして、このカソード側拡散層230に設けられた穴と、カソードオフガス排出孔630には、カソード側拡散層230中の水の排出を促進するための多孔質の導水部材310が挿入されている。なお、導水部材310の構成とその機能の詳細については、後述する。
A hole is provided in the cathode
燃料電池100に供給される水素(H2)を含む燃料ガスは、シール部材240とプレート400,500,600とのそれぞれに設けられたマニホールド穴(図示しない)により形成される燃料ガス供給マニホールドに供給される。燃料ガス供給マニホールドに供給された燃料ガスは、アノード側プレート400に設けられた図示しない貫通孔(燃料ガス供給孔)を通して単セル200のアノード側拡散層220に供給される。アノード側拡散層220に供給された燃料ガス中の水素は、膜電極接合体210における電気化学反応により消費される。水素が消費された燃料ガス(アノードオフガス)は、アノード側拡散層220から、アノード側プレート400に設けられた図示しない貫通孔(カソードオフガス排出孔)を通してアノードオフガス排出マニホールドに排出される。そして、アノードオフガスは、アノードオフガス排出マニホールドを介して燃料電池100から排出される。
The fuel gas containing hydrogen (H 2 ) supplied to the
燃料電池100を冷却する冷却水は、シール部材240とアノード側プレート400とカソード側プレート600とに設けられたマニホールド穴(図示しない)により形成される冷却水供給マニホールドに供給される。冷却水供給マニホールドに供給された冷却水は、中間プレート500に設けられた穴により形成される冷却水流路170に供給される。冷却水は、冷却水流路170を通過する間に、電気化学反応により発生した熱を奪う。熱を奪うことにより温度が上昇した冷却水は、シール部材240とアノード側プレート400とカソード側プレート600とに設けられたマニホールド穴により形成される冷却水排出マニホールドを介して燃料電池100から排出される。
Cooling water for cooling the
図2は、シール部材240の形状を示す模式図である。図2は、シール部材240を図1の左側から見た様子を示している。なお、図2では、A−A断面の位置を示しているが、このA−A断面の位置は、図1に示した断面図に相当する位置を表わしている。
FIG. 2 is a schematic diagram showing the shape of the
上述のように、シール部材240には、ガス拡散層220,230を配置するための穴242と、膜電極接合体210を配置するための溝244とが設けられている。シール部材240の外周部には、6つのマニホールド穴260〜270が設けられている。
As described above, the
これらの6つのマニホールド穴260〜270のうち、マニホールド穴260は、酸化剤ガス供給マニホールド110(図1)を形成し、マニホールド穴262は、カソードオフガス排出マニホールド120(図1)を形成する。また、2つのマニホールド穴264,266は、燃料ガス供給マニホールドとアノードオフガス排出マニホールドとのそれぞれ形成し、2つのマニホールド穴268,270は、冷却水供給マニホールドと冷却水排出マニホールドとのそれぞれを形成する。
Of these six manifold holes 260-270, the
図3は、アノード側プレート400の形状を示す模式図である。図3は、アノード側プレート400を図1の左側から見た様子を示している。なお、図3には、図2と同様に、A−A断面の位置が示されている。
FIG. 3 is a schematic diagram showing the shape of the
図3に示すアノード側プレート400の外周部には、シール部材240(図2)と同様に6つのマニホールド穴460〜470が設けられている。アノード側プレート400には、これらの6つのマニホールド穴460〜470の他に、アノード側拡散層220が配置されるシール部材240の穴242の周辺部の位置に、貫通孔420,430がそれぞれ2個ずつ設けられている。貫通孔420は、燃料ガス供給マニホールドとアノード側拡散層220とを連通する燃料ガス供給孔に相当する。貫通孔430は、アノード側拡散層220とアノードオフガス排出マニホールドとを連通するアノードオフガス排出孔に相当する。
Three
図4は、カソード側プレート600の形状を示す模式図である。図4は、カソード側プレート600を図1の左側から見た様子を示している。なお、図4には、図2と同様に、A−A断面の位置が示されている。
FIG. 4 is a schematic diagram showing the shape of the
図4に示すカソード側プレート600の外周部には、シール部材240(図2)と同様にそれぞれ6つのマニホールド穴660〜670が設けられている。カソード側プレート600には、6つのマニホールド穴660〜670の他に、カソード側拡散層230が配置されるシール部材240の穴242(図2)の周辺部の位置に、貫通孔620,630がそれぞれ9個ずつ設けられている。貫通孔620は、酸化剤ガス供給マニホールド110(図1)とカソード側拡散層230とを連通する酸化剤ガス供給孔に相当する。貫通孔630は、カソード側拡散層230とカソードオフガス排出マニホールド120(図1)とを連通するカソードオフガス排出孔に相当する。なお、図1では、カソード側プレート600に設けられた貫通孔620,630のうち、断面位置A−A上の貫通孔が図示されている。
As with the seal member 240 (FIG. 2), six
図5は、中間プレート500の形状を示す模式図である。図5は、中間プレート500を図1の左側から見た様子を示している。図5においても、図2と同様に、A−A断面の位置が示されている。なお、図5には、カソードオフガス排出マニホールド120と、冷却水供給マニホールド150と、冷却水排出マニホールド160と、のそれぞれの位置が破線で示されている。
FIG. 5 is a schematic diagram showing the shape of the
図5に示す中間プレート500には、酸化剤ガス供給マニホールド110(図1)と、カソードオフガス排出マニホールド120と、燃料ガス供給マニホールドと、アノードオフガス排出マニホールドと、のそれぞれのマニホールドを形成する4つのマニホールド穴560,562,564,566が設けられている。
The
この中間プレート500には、冷却水供給マニホールド150と冷却水排出マニホールド160を形成するマニホールド穴は設けられていない。しかしながら、マニホールド150,160の位置にわたって冷却水流路170を形成する4個の冷却水流路穴590が設けられている。このように、冷却水流路穴590は、その一部がマニホールド150,160に相当する位置と重なるように形成されているので、燃料電池100には、スタックの積層方向に沿った冷却水の流路が形成される。
The
中間プレート500には、酸化剤ガス供給マニホールド110を形成するマニホールド穴560から酸化剤ガス供給孔620(図4)の位置に跨る櫛歯状の穴580が設けられている。この櫛歯状の穴580により、図1に示すように、酸化剤ガス供給マニホールド110と酸化剤ガス供給孔620とが連通され、酸化剤ガス供給マニホールド110からカソード側拡散層230に至るへのガス流路が形成される。
The
中間プレート500のマニホールド穴562は、カソードオフガス排出マニホールド120の位置から、カソードオフガス排出孔630(図4)の位置に跨る矩形の穴として形成されている。マニホールド穴562により、図1に示すように、カソードオフガス排出マニホールド120とカソードオフガス排出孔630とが連通され、カソード側拡散層230からカソードオフガス排出マニホールド120に至るガス流路が形成される。なお、マニホールド穴562のうち、カソードオフガス排出マニホールド120の上端からカソードオフガス排出孔630の位置までの穴は、カソードオフガス排出孔630とカソードオフガス排出マニホールド120とを連通する流路を形成する連通流路穴であるともいうことができる。
The
また、中間プレート500には、燃料ガス供給マニホールドを形成するマニホールド穴564から燃料ガス供給孔420(図3)の位置に跨る櫛歯状の穴584と、アノードオフガス排出マニホールドを形成するマニホールド穴566からアノードオフガス排出孔430(図3)の位置に跨る櫛歯状の穴586とが設けられている。これらの櫛歯状の穴584,586が設けられることにより、燃料ガス供給マニホールドおよびアノードオフガス排出マニホールドは、アノード側拡散層220と連通され、燃料ガスの流路が形成される。
Further, the
図6は、第1実施例における導水部材310の形状とその取り付け状態を示す模式図である。図6(a)は、導水部材310を図1の左方から見た正面図であり、図6(b)は、導水部材310を図1の紙面表側から見た側面図である。また、図6(c)は、カソード側プレート600と中間プレート500とを重ね合わせ、カソードオフガス排出孔630に導水部材310を挿入した様子を示している。なお、図6(c)は、中間プレート側(図1の右方)から見た様子を示している。
FIG. 6 is a schematic diagram showing the shape of the
図6(a)および図6(b)に示すように、導水部材310は、円柱状の先端部312と、略三角柱状のフランジ部314と、を有している。導水部材310は、これらの先端部312とフランジ部314とを一体に形成した多孔質体である。なお、導水部材310は、例えば、チタンなどの金属多孔質体により形成される。導水部材310は、図6(c)に示すように、9つのカソードオフガス排出孔630のそれぞれに挿入される。
As shown in FIGS. 6A and 6B, the
導水部材310では、フランジ部314の鉛直方向の断面積は、先端部312の鉛直方向の断面積よりも大きくなっている。また、導水部材310の先端部312は、図6(c)に示す取付状態において鉛直上方側となるフランジ部314の上方面316寄りに形成されている。第1実施例では、このような形状に導水部材310を形成することにより、導水部材310中の水は、先端部312からフランジ部314に移動する。そして、先端部312からフランジ部314に到達した水は、重力によりフランジ部314下方に移動し、フランジ部314下方からカソードオフガス排出マニホールド120に落下する。
In the
このように、フランジ部314は、カソードオフガス排出孔630に挿入される先端部312から水をカソードオフガス排出マニホールド120側に導出する機能を有しているので、水導出部ともいうことができる。
As described above, the
なお、第1実施例では、水をカソードオフガス排出マニホールド120側に導出するためにフランジ部314の断面積を大きくしているが、他の方法によっても水をカソードオフガス排出マニホールド120側に導出することができる。例えば、導水部材のうちカソードオフガス排出マニホールド120側に突出する部分の空孔率を、カソードオフガス排出孔630内に挿入される部分の空孔率よりも低くすることにより水をカソードオフガス排出マニホールド120側に導出することが可能である。また、導水部材のうちカソードオフガス排出マニホールド120側に突出する部分の細孔径を、カソードオフガス排出孔630内に挿入される部分の細孔径よりも小さくすることによっても水をカソードオフガス排出マニホールド120側に導出することが可能である。
In the first embodiment, the cross-sectional area of the
導水部材310の空孔率は、導水部材310内に保持される水の量が増加してカソードオフガスの排出が妨げられることを抑制するため、カソード側拡散層230の空孔率以上とするのがより好ましい。また、導水部材310は、親水性(例えば、45°以下の接触角)を有する部材であるのがより好ましい。導水部材310を金属多孔質体で形成した場合、金属多孔質体に金などの化学的に安定な金属の層をメッキやスパッタリングで形成することにより、導水部材310を親水性にすることができる。
The porosity of the
図7は、第1実施例において、カソードオフガス排出孔630から水が排出される様子を示す説明図である。図7(a)は、比較例として、カソードオフガス排出孔630に導水部材310を挿入しない状態を示している。なお、導水部材310を使用しない比較例では、カソード側拡散層230aには、導水部材310を挿入するための穴が設けられていない。図7(b)は、第1実施例において、カソードオフガス排出孔630に導水部材310を挿入した様子を示している。
FIG. 7 is an explanatory diagram showing how water is discharged from the cathode
図7(a)に示す比較例では、水の表面張力により、水滴がカソードオフガス排出孔630のカソード側拡散層230a側に形成される。水滴が形成されると、表面張力により水滴にはカソード側拡散層230a方向の力が加わる。そのため、カソード側拡散層230aからカソードオフガス排出マニホールドへの水の排出が抑制される。
In the comparative example shown in FIG. 7A, water droplets are formed on the cathode
一方、図7(b)に示す第1実施例では、カソード側拡散層230と導水部材310とが近接している。そのため、カソード側拡散層230内の水と導水部材310内の水とが繋がって連続した水の領域(以下、このように連続した水の領域を「水膜」と呼ぶ)を形成する。カソード側拡散層230内の水は、この水膜を介して導水部材310の先端部312に到達する。先端部312に到達した水は、図7(b)の矢印で示すように、先端部312からフランジ部314に導かれる。そして、フランジ部314に到達した水は、重力によりカソードオフガス排出マニホールドに排出される。
On the other hand, in the first embodiment shown in FIG. 7B, the cathode
このように、第1実施例では、カソードオフガス排出マニホールド側からカソード側拡散層230側(単セル200側)に向かって、多孔質体の導水部材310がカソードオフガス排出孔630に挿入される。これにより、カソード側拡散層230内に残留する水は、導水部材310を通してカソードオフガス排出マニホールド側に導かれるので、カソード側拡散層230に残留する水の排出が促進される。このように、導水部材310は、水の排出を促進する機能を有しているので、排水促進部材ともいうことができる。
As described above, in the first embodiment, the porous
なお、図7(b)に示す第1実施例では、水がカソードオフガス排出孔630を通過する際には、水は多孔質体の導水部材310中を移動する。そのため、第1実施例では、カソードオフガス排出孔630の内部において単位体積の水が固体表面と接触する面積は、図7(a)に示す導水部材がない比較例よりも多くなっている。このように、単位体積あたりの接触面積を増加させることにより、カソード側拡散層230内の水は、導水部材がない場合よりもカソードオフガス排出孔630内に引き寄せられるようになり、カソードオフガス排出孔630からの排水がより容易となる。
In the first embodiment shown in FIG. 7B, when the water passes through the cathode
また、第1実施例の導水部材310は、先端部312とフランジ部314とを有しているが、フランジ部314を省略することができる。但し、カソードオフガス排出マニホールド側まで凝縮水を導出するように、導水部材はカソードオフガス排出孔630のカソードオフガス排出マニホールド側から突出するように配置されるのがより好ましい。
Moreover, although the
B.第2実施例:
図8は、第2実施例における導水部材310aの取付状態を示す模式図である。第2実施例は、9個のカソードオフガス排出孔630のそれぞれに挿入される導水部材310aが一体のものとして形成されている点で、第1実施例と異なっている。他の点は、第1実施例と同じである。なお、図8は、図6(c)と同様に、カソード側プレート600(図4)と中間プレート500(図5)とを重ね合わせ、カソードオフガス排出孔630に導水部材310aを挿入した様子を中間プレート500側(図1の右方)からみた様子を示している。
B. Second embodiment:
FIG. 8 is a schematic diagram showing an attached state of the
図8に示すように、第2実施例においても、カソードオフガス排出孔630には多孔質の導水部材310aが挿入される。そのため、第1実施例と同様に、カソード側拡散層230に残留する水は、導水部材310aを通してカソードオフガス排出マニホールド側に導かれるので、カソード側拡散層230に残留する水の排出が促進される。
As shown in FIG. 8, also in the second embodiment, a porous
なお、第2実施例は、一体に形成された導水部材310aがカソードオフガス排出孔630に挿入されるので、導水部材310aの配置の変化が抑制される。そのため、燃料電池100の使用状態において、導水部材310aの配置が変化して排水性が低下するおそれを低減することができる点で、第1実施例よりも好ましい。一方、第1実施例は、個々のカソードオフガス排出孔630に挿入される導水部材310が別個のものとして形成されている。そのため、カソードオフガス排出孔630や導水部材310の形状精度が低くても導水部材310をより容易にカソードオフガス排出孔630に挿入できる点で、第2実施例よりも好ましい。
In the second embodiment, since the integrally formed
C.第3実施例:
図9は、第3実施例における燃料電池100bの概略構成を示す説明図である。図9に示す第3実施例における燃料電池100bは、導水部材310bとアノード側プレート400との間に吸水部材320が設けられている点と、吸水部材320を設けることに伴い導水部材310bの形状が変更されている点とで、第1実施例と異なっている。他の点は、第1実施例と同じである。
C. Third embodiment:
FIG. 9 is an explanatory diagram showing a schematic configuration of the
図10は、第3実施例における導水部材310bおよび吸水部材320のそれぞれの形状と、取付状態における各部材310b,320の位置関係を示す模式図である。図10(a)は、導水部材310bを図9の左方から見た正面図であり、図10(b)は、導水部材310bを図9の紙面表側から見た側面図である。図10(c)は、吸水部材320を図9の左方から見た正面図であり、図10(d)は、吸水部材320を図9の紙面表側から見た側面図である。また、図10(e)と図10(f)は、導水部材310bと吸水部材320との配置を示す正面図と側面図である。
FIG. 10 is a schematic diagram showing the shape of each of the
図10(a)および図10(b)に示すように、第3実施例における導水部材310bも、図6(a)および図6(b)に示す第1実施例における導水部材310と同様に、先端部312bとフランジ部314bとを有している。これらの各部312b,314bの形状は、第1実施例の導水部材310とほぼ同じである。但し、第3実施例のフランジ部314bは、吸水部材320の厚さに相当する分だけ第1実施例のフランジ部314よりも短くなっている。
As shown in FIGS. 10 (a) and 10 (b), the
吸水部材320は、図10(c)および図10(d)に示すように、矩形の平板の下方側に三角形の切り込みを入れた形状となっている。この吸水部材320は、導水部材310bよりも保水性が高い部材である。このような吸水部材320は、例えば、フェルト等の親水性で導水部材310よりも細かい空孔を有する材料により形成することができる。
As shown in FIGS. 10C and 10D, the
導水部材310bと吸水部材320とは、図10(e)および図10(f)に示すように、導水部材310bのフランジ部314bが吸水部材320の切り込みがない領域と接するように配置される。このように導水部材310bのフランジ部314b端と吸水部材320とが接触することにより、カソード側拡散層230(図9)から導水部材310bに導かれた水は、フランジ部314bからより保水性の高い吸水部材320に移動する。吸水部材320に到達した水は、重力により吸水部材320の下方に移動し、吸水部材320の下方からカソードオフガス排出マニホールドに落下する。
The
第3実施例においても、カソードオフガス排出孔630には多孔質の導水部材310bが挿入される。そのため、第1実施例と同様に、カソード側拡散層230に残留する水は、導水部材310bを通してカソードオフガス排出マニホールド側に導かれるので、カソード側拡散層230に残留する水の排出が促進される。
Also in the third embodiment, the porous
なお第3実施例では、導水部材310bをより保水性が高い吸水部材320に接触させることにより、水はフランジ部314bから吸水部材320に引き寄せられる。そのため、導水部材310b中に保持される水の量がより少なくなり、導水部材310b中の水量が増加してカソードオフガスの排出が妨げられることが抑制される点で、第1および第2実施例よりも好ましい。一方、第1および第2実施例は、吸水部材320の使用を省略でき、燃料電池の構成がより簡単になる点で、第3実施例よりも好ましい。
In the third embodiment, water is drawn from the
D.第4実施例:
図11は、第4実施例における導水部材310cの形状と、取付状態における導水部材310cと吸水部材320と位置関係を示す模式図である。第4実施例は、導水部材310cの形状が、図10に示す第3実施例における導水部材310bと異なっている点で、第3実施例と異なっている。他の点は、第3実施例と同じである。
D. Fourth embodiment:
FIG. 11 is a schematic diagram showing the shape of the
図11(a)は、導水部材310cを図9の左方から見た正面図であり、図11(b)は、導水部材310cを図9の紙面表側から見た側面図である。図11(c)は、導水部材310cを図9の上方から見た平面図である。また、図11(d)ないし図11(f)は、それぞれ、導水部材310cと吸水部材320との配置を示す正面図と側面図と平面図である。なお、図11(c)および図11(d)においては、図11の紙面の裏側から表側に向かう方向が鉛直上方となるように描かれている。
FIG. 11A is a front view of the
図11(a)ないし図11(c)に示すように、第4実施例の導水部材310cは、導水部材310cのフランジ部314c端に溝318が設けられている。この溝318は、フランジ部314cの上方面316cと垂直方向に設けられている。
As shown in FIGS. 11A to 11C, the
導水部材310cは、図6に示す第1実施例と同様に、フランジ部314cの上方面316cが酸化剤ガス供給マニホールド110側に位置するように、カソードオフガス排出孔630に挿入される。そのため、溝318の方向は、カソードオフガス排出孔630からカソードオフガス排出マニホールド120に向かう方向となる。フランジ部314c側に排出されたカソードオフガスは、溝318を通してカソードオフガス排出マニホールド方向に導かれるので、カソードオフガスのカソードオフガス排出マニホールドへの排出がより容易となる。
Similar to the first embodiment shown in FIG. 6, the
なお、第4実施例では、フランジ部314cに設けられた溝318の方向は、カソードオフガス排出孔630からカソードオフガス排出マニホールド120に向かう方向となっているが、溝318方向は任意の方向とすることが可能である。このようにしても、フランジ部314c側から排出されたカソードオフガスは、溝318を介してカソードオフガス排出マニホールド120に排出されるので、溝318を設けない場合よりもカソードオフガスの排出が容易となる。但し、第4実施例のように、溝318の方向をカソードオフガスの主流方向に一致させることにより、カソードオフガスの排出がより容易になる。
In the fourth embodiment, the direction of the
第4実施例では、このように溝318がカソードオフガスの流路となるので、カソードオフガスの排出がより容易となる点で、第3実施例よりも好ましい。一方、第3実施例は、導水部材310bと吸水部材320との接触面積が第4実施例よりも多くなるので、導水部材310bから吸水部材320への水の移動がより容易となる。そのため、導水部材310b中の水保持量がより少なくなり、導水部材310b中の水量の増加によりカソードオフガスの排出が妨げられることがより抑制される点で、第4実施例よりも好ましい。
In the fourth embodiment, the
E.第5実施例:
図12は、第5実施例における燃料電池100dの概略構成を示す説明図である。図12に示す第3実施例における燃料電池100dは、多孔質体で形成された導水部材310(図1)に換えて導水部材330がカソードオフガス排出孔630に挿入されている点と、カソード側拡散層230aに導水部材を通すための穴が設けられていない点とで、第1実施例と異なっている。他の点は、第1実施例と同じである。
E. Example 5:
FIG. 12 is an explanatory diagram showing a schematic configuration of a
図13は、第5実施例における燃料電池100dのカソードオフガス排出孔630付近の様子を示す説明図である。図13(a)は、カソードオフガス排出孔630付近の燃料電池100dの断面図である。また、図13(b)は、導水部材330が取り付けられたカソード側プレート600を、導水部材330側(図12の右方)から見た様子を示している。
FIG. 13 is an explanatory view showing a state in the vicinity of the cathode
導水部材330は、先端部332と、支持部334と、取付部336とを有している。
導水部材330は、先端部332と支持部334とが略直角となるように形成されており、支持部334と取付部336も略直角となるように形成されている。この導水部材330は、親水性を有する材料で形成されるのが好ましい。
The
The
導水部材330は、取付部336においてカソード側プレート600に取り付けられている。導水部材330は、例えば、溶接や接着などによりカソード側プレート600に取り付けることが可能である。また、カソード側プレート600に導水部材330を嵌入するための嵌入孔を設け、嵌入孔に導水部材330を嵌入することにより導水部材330をカソード側プレート600に取り付けても良い。
The
図13(a)および図13(b)に示すように、導水部材330の先端部332は、カソードオフガス排出孔630の中心部に挿入されている。第5実施例では、先端部332のカソード側拡散層230a側端は、カソード側拡散層230aとは接触しない位置となっている。但し、導水部材330の先端部332は、カソード側拡散層230aとは接触していても良く、カソード側拡散層230a内に到達していても良い。
As shown in FIGS. 13A and 13B, the
図14は、第5実施例において、カソードオフガス排出孔630から水が排出される様子を示す説明図である。図14(a)ないし図14(c)は、カソードオフガス排出孔630内での水の状態が描かれているほかは、図13(a)と同じである。
FIG. 14 is an explanatory diagram showing how water is discharged from the cathode
上述したように、カソード側拡散層230a中の水は、図14(a)に示すように、表面張力によりカソードオフガス排出孔630のカソード側拡散層230a側で水滴を形成する。水滴は、カソード側拡散層230a内に保持される水の量が増加するに従って大きくなり、その先端はカソードオフガス排出マニホールド側に移動する。
As described above, the water in the cathode
水滴の先端が、導水部材330の先端部332に到達すると、図14(b)に示すように、水はカソード側拡散層230aと導水部材330の先端部332に水膜を形成する。カソード側拡散層230aの水は、矢印に示すように、水膜を通して先端部332を伝わり、カソードオフガス排出マニホールド側に移動する。
When the tip of the water droplet reaches the
図14(c)に示すように、水が水膜を通してカソードオフガス排出マニホールド側に到達すると、カソードオフガス排出マニホールド側に到達した水は、矢印に示すように、重力により落下する。そして、カソード側拡散層230a中の水は、カソード側拡散層230a中の水量が減少して水膜が切れるまでカソードオフガス排出マニホールドに排出され続ける。
As shown in FIG. 14 (c), when water reaches the cathode offgas discharge manifold side through the water film, the water that has reached the cathode offgas discharge manifold side falls due to gravity as shown by an arrow. The water in the cathode
このように、第5実施例では、カソード側拡散層230a中の水が形成する水滴が導水部材330の先端部332に接触することにより、カソード側拡散層230aと先端部332との間に水膜が形成される。そして、形成された水膜を伝って、水がカソードオフガス排出マニホールド側に移動する。そのため、カソード側拡散層230a中の水のカソードオフガス排出マニホールドへの排出が促進される。従って、先端部332は、水の排出を促進する排水促進部材であるということもできる。
Thus, in the fifth embodiment, water droplets formed by the water in the cathode
なお、図14に示す第5実施例では、水がカソードオフガス排出孔630を通過する際に、水は先端部332の表面に形成された水膜中を移動する。そのため、第5実施例では、先端部332を挿入することにより、カソードオフガス排出孔630の内部において単位体積の水が固体表面と接触する面積は、導水部材がない場合よりも大きくなっている。
In the fifth embodiment shown in FIG. 14, when the water passes through the cathode
第5実施例では、導水部材330をカソード側プレート600に取り付けているが、導水部材330は、異なる方法により取り付けることも可能である。例えば、直線状の導水部材を中間プレート500に取り付けるものとしても良い。
In the fifth embodiment, the
また、第5実施例では、導水部材330の先端部332は、カソードオフガス排出孔630の中心部に挿入されているが、先端部332がカソードオフガス排出孔630に挿入されていれば、先端部332とカソードオフガス排出孔630との位置関係は異なっていても良い。先端部312は、カソードオフガス排出孔630の内壁に接触するものとしても良く、先端部312の向きがカソードオフガス排出孔630の貫通方向と異なる方向になっていても良い。また、この場合、導水部材が脱落しないような形状となっており、先端部がカソードオフガス排出孔630内部に挿入された状態が維持できれば、導水部材は固定されていなくても良い。
In the fifth embodiment, the
一般に、カソードオフガス排出孔630の内径よりも外径が小さい棒状の部材がカソードオフガス排出孔630に挿入されていれば、カソード側拡散層230aと棒状部材との間に水膜が形成される。形成された水膜を伝って棒状部材に移動した水は、カソードオフガス排出孔630と棒状部材の間の間隙を介して、カソードオフガス排出マニホールド側に移動する。但し、先端部332のカソード側拡散層230a側端がカソードオフガス排出孔630内にある場合、カソード側拡散層230aと導水部材330との間の水膜の形成をより容易とするため、導水部材の先端部のカソード側拡散層230aはカソードオフガス排出孔630の中心部に位置するように設定されるのが好ましい。なお、この場合においても、導水部材330により、カソードオフガス排出孔630の内部において単位体積の水が固体表面と接触する面積は増加する。
In general, if a rod-like member having an outer diameter smaller than the inner diameter of the cathode off-
F.第6実施例:
図15は、第6実施例における燃料電池のカソードオフガス排出孔630付近の様子を示す説明図である。図15(a)は、カソードオフガス排出孔630付近の断面図であり、図15(b)は、導水部材340が取り付けられたカソード側プレート600を、導水部材340側から見た様子を示している。図15に示す第6実施例は、図13に示す第5実施例とは形状の異なる導水部材340が使用されている点で、第5実施例と異なっている。他の点は、第5実施例と同じである。
F. Example 6:
FIG. 15 is an explanatory view showing a state in the vicinity of the cathode
図15(a)および図15(b)に示すように、第6実施例の導水部材340は、屈曲を有さない棒状の部材である。導水部材340は、カソード側プレート600のカソードオフガス排出マニホールド側の面に取り付けられており、その上端は、カソードオフガス排出孔630の外周よりも内側に突出している。
As shown in FIGS. 15 (a) and 15 (b), the
図16は、第6実施例において、カソードオフガス排出孔630から水が排出される様子を示す説明図である。図16(a)ないし図16(c)は、カソードオフガス排出孔630内での水の状態が描かれているほかは、図15(a)と同じである。
FIG. 16 is an explanatory diagram showing how water is discharged from the cathode
図16(a)は、カソードオフガス排出孔630から一旦水が排出された後の状態を示している。カソードオフガス排出孔630から水が排出されると、排出された水の一部は、導水部材340のカソードオフガス排出孔630より突出している突出部付近に残留する。このように残留した水(残水)は、カソードオフガス排出孔630の内部で、カソード側拡散層230aの方向に伸びた水膜を形成する。
FIG. 16A shows a state after water is once discharged from the cathode
一方、第5実施例の場合と同様に、カソード側拡散層230a中の水は、図16(a)に示すように、カソードオフガス排出孔630のカソード側拡散層230a側で水滴を形成する。そして、形成された水滴の先端は、カソード側拡散層230a内に保持される水の量が増加するに従ってカソードオフガス排出マニホールド側に移動する。
On the other hand, as in the fifth embodiment, the water in the cathode
カソードオフガス排出孔630のカソード側拡散層230a側に形成された水滴が大きくなり、カソードオフガス排出孔630内の残水に接触すると、図16(b)に示すように、カソード側拡散層230aと導水部材340とは、水膜によって接続される。そして、カソード側拡散層230aの水は、矢印に示すように、水膜を通してカソードオフガス排出孔630内を流れ、カソードオフガス排出マニホールド側に移動する。このようにカソードオフガス排出マニホールド側に移動した水は、図16(c)の矢印に示すように、重力により落下し、カソードオフガス排出マニホールドに排出される。
When water droplets formed on the cathode
このように、第6実施例では、カソードオフガス排出孔630のカソード側拡散層230a側に形成される水滴がカソードオフガス排出孔630内部の残水に接触することにより、カソード側拡散層230aと導水部材340との間に水膜が形成される。そして、形成された水膜を伝って、水がカソードオフガス排出マニホールド側に移動する。そのため、カソード側拡散層230a中の水のカソードオフガス排出マニホールド側への排出が促進される。
Thus, in the sixth embodiment, the water droplets formed on the cathode
なお、図16に示す第6実施例では、カソードオフガス排出孔630のカソード側拡散層230a側に形成される水滴がカソードオフガス排出孔630内部の残水に接触すると、水滴と残水とは水膜を形成する。このように、水滴と残水が水膜となることにより、カソードオフガス排出孔630の内部における単位体積の水が固体表面と接触する面積は増加する。
In the sixth embodiment shown in FIG. 16, when water droplets formed on the cathode
G.変形例:
なお、この発明は上記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。
G. Variation:
In addition, this invention is not restricted to the said Example and embodiment, It can implement in a various aspect in the range which does not deviate from the summary, For example, the following deformation | transformation is also possible.
G1.変形例1:
上記第1ないし第4実施例では、導水部材の先端部がカソードオフガス排出孔630からカソード側拡散層230側に突出しているが、導水部材の先端部は、カソードオフガス排出孔630のカソード側拡散層230側開口端よりもカソードオフガス排出マニホールド120側に位置し、カソード側拡散層230に到達していなくても良い。一般に、導水部材の先端部は、カソードオフガス排出孔630のカソードオフガス排出マニホールド120側開口端よりもカソード側拡散層230側に位置していればよい。このようにしても、上記第5実施例と同様に水滴の先端がカソードオフガス排出マニホールド120側に移動し、水滴と導水部材とが接触することによりカソード側拡散層230と導水部材との間に水膜が形成され、水膜を介して凝縮水がカソードオフガス排出マニホールド120側に排出される。なお、導水部材の先端部がカソード側拡散層230に到達しない場合、カソード側拡散層230に設けられた導水部材を挿入するための穴は省略することができる。
G1. Modification 1:
In the first to fourth embodiments, the tip of the water guide member protrudes from the cathode
G2.変形例2:
上記各実施例では、本発明を、セパレータ300(図1)が3つのプレート400,500,600により構成されている燃料電池100(図1)に適用しているが、本発明は、セパレータの構成が異なる燃料電池にも適用することができる。一般に、本発明は、カソード側拡散層230からカソードオフガス排出マニホールド120とが、セパレータ構成部材に設けられ積層方向に貫通する貫通孔を介して連通される燃料電池であれば、任意の燃料電池に適用することができる。
G2. Modification 2:
In each of the above embodiments, the present invention is applied to the fuel cell 100 (FIG. 1) in which the separator 300 (FIG. 1) is constituted by three
G3.変形例3:
上記各実施例では、本発明を、単セル200(図1)内における酸化剤ガスの流路を多孔質体であるカソード側拡散層230により形成した燃料電池100(図1)に適用しているが、本発明は、異なる構成の燃料電池にも適用することができる。単セル200内の酸化剤ガスの流路は、例えば、セパレータの単セル側に流路溝を設けることにより形成するものとしても良い。また、膜電極接合体210に形成されたカソード側電極を多孔質体で構成することにより、カソード側電極により酸化剤ガスの流路を形成することも可能である。
G3. Modification 3:
In each of the above embodiments, the present invention is applied to the fuel cell 100 (FIG. 1) in which the flow path of the oxidant gas in the single cell 200 (FIG. 1) is formed by the cathode
G4.変形例4:
上記各実施例では、燃料電池100(図1)を、カソード側拡散層230内の凝縮水をカソードオフガス排出マニホールド120側に導くために、酸化剤ガス供給マニホールド110が鉛直上方に位置し、カソードオフガス排出マニホールド120が鉛直下方に位置するように配置しているが、燃料電池100の配置方向は任意の方向とすることができる。燃料電池100は、例えば、酸化剤ガス供給マニホールド110とカソードオフガス排出マニホールド120とが略同じ高さとなるように配置することも可能である。
G4. Modification 4:
In each of the above embodiments, the oxidant
この場合、例えば、カソード側拡散層の空孔率を酸化剤ガス供給マニホールド110側からカソードオフガス排出マニホールド120側に向かって漸次低くなるようにすることにより、カソード側拡散層230内の凝縮水をカソードオフガス排出マニホールド120側に導くことができる。そして、カソードオフガス排出孔630からカソードオフガス排出マニホールド120側に排出された凝縮水は、カソードオフガスが流れることによって発生する動圧によりカソードオフガス排出マニホールド120に向かって排出される。
In this case, for example, the porosity of the cathode
G5.変形例5:
上記各実施例では、本発明により、カソードオフガス排出孔630(図1)からの排水を促進しているが、本発明により、アノードオフガス排出孔からの排水を促進することも可能である。この場合、アノードオフガス排出孔からは、カソード側で生成され電解質膜を透過した水や、燃料ガスを加湿するための水などが排出される。
G5. Modification 5:
In each of the above embodiments, drainage from the cathode offgas discharge hole 630 (FIG. 1) is promoted by the present invention, but drainage from the anode offgas discharge hole can also be promoted by the present invention. In this case, from the anode off-gas discharge hole, water generated on the cathode side and permeated through the electrolyte membrane, water for humidifying the fuel gas, and the like are discharged.
100,100b,100d…燃料電池
110…酸化剤ガス供給マニホールド
120…カソードオフガス排出マニホールド
150…冷却水供給マニホールド
160…冷却水排出マニホールド
170…冷却水流路
200…単セル
210…膜電極接合体
220…アノード側拡散層
230,230a…カソード側拡散層
240…シール部材
260〜270…マニホールド穴
300…セパレータ
310,310a,310b,310c…導水部材
312,312a,312b,312c…先端部
314,314a,314b,314c…フランジ部
320…吸水部材
330…導水部材
332…先端部
334…支持部
336…取付部
340…導水部材
400…アノード側プレート
420…燃料ガス供給孔
430…アノードオフガス排出孔
460〜470…マニホールド穴
560〜566…マニホールド穴
590…冷却水流路穴
600…カソード側プレート
620…酸化剤ガス供給孔
630…カソードオフガス排出孔
660〜670…マニホールド穴
DESCRIPTION OF
Claims (11)
前記単セルから排出される排出ガスを前記燃料電池から排出するためのガス排出マニホールドを備え、
前記単セルは、前記セパレータを構成するセパレータ構成部材を前記単セルと前記セパレータの積層方向に貫通する貫通孔を介して前記ガス排出マニホールドに連通されており、
前記燃料電池は、前記単セル内で凝縮した凝縮水の前記単セルから前記ガス排出マニホールドへの前記貫通孔を介した排出を促進する排水促進部材を備え、
前記排水促進部材は、前記単セル内の凝縮水が前記貫通孔内部において固体表面に接触する単位体積あたりの接触面積を増加させることにより、前記凝縮水の排出を促進する、燃料電池。 A fuel cell formed by alternately stacking single cells and separators,
A gas discharge manifold for discharging the exhaust gas discharged from the single cell from the fuel cell;
The single cell is communicated with the gas discharge manifold through a through hole that penetrates a separator constituting member constituting the separator in a stacking direction of the single cell and the separator,
The fuel cell includes a drainage promotion member that promotes discharge of condensed water condensed in the single cell from the single cell to the gas discharge manifold through the through hole,
The drainage promotion member promotes discharge of the condensed water by increasing a contact area per unit volume where the condensed water in the single cell contacts the solid surface inside the through-hole.
前記排水促進部材は、前記貫通孔の前記ガス排出マニホールド側開口端から前記単セル側に向かって前記貫通孔内に挿入されている、燃料電池。 The fuel cell according to claim 1, wherein
The drainage promotion member is a fuel cell inserted into the through hole from the gas discharge manifold side opening end of the through hole toward the single cell side.
前記排水促進部材は多孔質体である、燃料電池。 The fuel cell according to claim 2, wherein
The fuel cell, wherein the drainage promotion member is a porous body.
前記排水促進部材は、
前記ガス排出マニホールド側開口端よりも前記単セル側に配置される挿入部と、
前記挿入部中の凝縮水を前記ガス排出マニホールド側に導出する水導出部と、
を有する、燃料電池。 The fuel cell according to claim 3, wherein
The drainage promotion member is
An insertion portion disposed on the single cell side from the gas discharge manifold side opening end;
A water outlet part for leading the condensed water in the insertion part to the gas discharge manifold side;
A fuel cell.
前記水導出部は、前記挿入部よりも鉛直方向の断面積が大きい、燃料電池。 The fuel cell according to claim 4, wherein
The water lead-out part is a fuel cell having a vertical cross-sectional area larger than that of the insertion part.
前記排水促進部材の前記ガス排出マニホールド側端に接触するように設けられ、前記多孔質体よりも保水性が高い吸水部材を備える、燃料電池。 6. The fuel cell according to claim 3, further comprising:
A fuel cell comprising a water absorbing member that is provided in contact with the gas discharge manifold side end of the drainage promotion member and has higher water retention than the porous body.
前記排水促進部材は、前記貫通孔の内径よりも外径が小さい棒状部材であり、前記貫通孔と前記棒状部材の間の間隙を介して前記凝縮水が排出される、燃料電池。 The fuel cell according to claim 2, wherein
The drainage promotion member is a rod-shaped member having an outer diameter smaller than the inner diameter of the through hole, and the condensed water is discharged through a gap between the through hole and the rod-shaped member.
前記排水促進部材は、排出された凝縮水の一部を前記排水促進部材に接触させることにより前記貫通孔内に保持する部材である、燃料電池。 The fuel cell according to claim 1, wherein
The said drainage promotion member is a fuel cell which is a member which hold | maintains in the said through-hole by making a part of discharged | emitted condensed water contact the said drainage promotion member.
前記排水促進部材は、親水性を有する、燃料電池。 A fuel cell according to any one of claims 1 to 8,
The drainage promotion member is a fuel cell having hydrophilicity.
前記単セルは、膜電極接合体と、多孔質体で構成され前記膜電極接合体に接するように設けられたガス拡散層と、を有しており、
前記ガス拡散層は、前記排出ガスの前記単セル内における流路を形成する、燃料電池。 The fuel cell according to any one of claims 1 to 9,
The single cell includes a membrane electrode assembly, and a gas diffusion layer that is configured to be in contact with the membrane electrode assembly, which is formed of a porous body.
The gas diffusion layer is a fuel cell that forms a flow path in the single cell for the exhaust gas.
前記セパレータは、前記単セルに接する側から、前記セパレータ構成部材である第1の板と、第2および第3の板とをこの順に積層することにより形成され、
前記第1の板と前記第2の板と前記第3の板は、それぞれ積層した際に前記ガス排出マニホールドを形成するマニホールド穴を有し、
前記第2の板は、前記貫通孔と、前記ガス排出マニホールドと、を連通する連通流路を形成する連通流路穴を有し、
前記第3の板は、前記連通流路穴に接する位置に、ガス不透性の部材を有する、
燃料電池。 The fuel cell according to any one of claims 1 to 10,
The separator is formed by laminating the first plate, which is the separator component, and the second and third plates in this order from the side in contact with the single cell.
The first plate, the second plate, and the third plate each have a manifold hole that forms the gas discharge manifold when stacked.
The second plate has a communication channel hole that forms a communication channel that communicates the through hole and the gas exhaust manifold,
The third plate has a gas-impermeable member at a position in contact with the communication channel hole.
Fuel cell.
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