JP2008130349A - Cell and stack of fuel battery - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池のセル及びスタックに関する。 The present invention relates to a cell and a stack of a fuel cell.
従来、特許文献1に燃料電池のセルが開示されている。この燃料電池のセルは、双極プレート及びガスケットが一対のガスケット間にカソード電極及びアノード電極を介してナフィオン(登録商標、Nafion(Dupon社製))等の固体高分子膜からなる電解質膜を挟持し、外形を整合させて積層されるものである。双極プレートは、一対の第1の穴と、両第1の穴と連通する溝と、一対の第2の穴とを有している。また、ガスケットは、各第1の穴と連通する一対の第3の穴と、両第3の穴と連通する収納室と、各第2の穴と連通する一対の第4の穴とを有している。
Conventionally,
このため、カソード側の双極プレートは、空気供給口の一部を構成する第1空気供給口と、この第1空気供給口をカソード電極収納室に連通させる空気案内通路と、空気案内通路と連通し、空気排出口の一部を構成する第1空気排出口と、燃料供給口の一部を構成する第1燃料供給口と、燃料排出口の一部を構成する第1燃料排出口とを有することとなる。 For this reason, the bipolar plate on the cathode side communicates with the first air supply port constituting a part of the air supply port, the air guide passage for communicating the first air supply port with the cathode electrode storage chamber, and the air guide passage. And a first air discharge port constituting a part of the air discharge port, a first fuel supply port constituting a part of the fuel supply port, and a first fuel discharge port constituting a part of the fuel discharge port. Will have.
また、カソード側のガスケットは、第1空気供給口と連通し、空気供給口の一部を構成する第2空気供給口と、カソード電極収納室と、第1空気排出口と連通し、空気排出口の一部を構成する第2空気排出口と、第1燃料供給口と連通し、燃料供給口の一部を構成する第2燃料供給口と、第1燃料排出口と連通し、燃料排出口の一部を構成する第2燃料排出口とを有することとなる。 The cathode-side gasket communicates with the first air supply port and communicates with the second air supply port, the cathode electrode storage chamber, and the first air discharge port, which constitute a part of the air supply port, and discharges air. A second air discharge port that forms part of the outlet and the first fuel supply port communicate with a second fuel supply port that forms part of the fuel supply port and a first fuel discharge port, It has the 2nd fuel discharge port which comprises a part of exit.
そして、カソード電極収納室内には導電性網状要素が収納されており、導電性網状要素は自己が有する相互に連通する多くの空孔によって双極プレートとの間に空気室を構成している。 A conductive mesh element is accommodated in the cathode electrode storage chamber, and the conductive mesh element forms an air chamber between the bipolar plate and a number of holes communicating with each other.
また、アノード側の双極プレートは、第2空気供給口と連通し、空気供給口の一部を構成する第3空気供給口と、第2空気排出口と連通し、空気排出口の一部を構成する第3空気排出口と、第2燃料供給口と連通し、燃料供給口の一部を構成する第3燃料供給口と、この第3燃料供給口をアノード電極収納室に連通させる燃料案内通路と、燃料案内通路と連通し、燃料排出口の一部を構成する第3燃料排出口とを有することとなる。 The anode-side bipolar plate communicates with the second air supply port, communicates with the third air supply port that constitutes a part of the air supply port, and the second air discharge port, and partially connects the air discharge port. A fuel guide that communicates with a third air discharge port that constitutes the second fuel supply port, a third fuel supply port that constitutes a part of the fuel supply port, and communicates the third fuel supply port with the anode electrode storage chamber A passage and a third fuel discharge port that communicates with the fuel guide passage and constitutes a part of the fuel discharge port are provided.
また、アノード側のガスケットは、第3空気供給口と連通し、空気供給口の一部を構成する第4空気供給口と、第3空気排出口と連通し、空気排出口の一部を構成する第4空気排出口と、第3燃料供給口と連通し、燃料供給口の一部を構成する第4燃料供給口と、アノード電極収納室と、第3燃料排出口と連通し、燃料排出口の一部を構成する第4燃料排出口とを有することとなる。 The anode side gasket communicates with the third air supply port, communicates with the fourth air supply port constituting a part of the air supply port, and the third air discharge port, and constitutes a part of the air discharge port. The fourth air discharge port communicates with the third fuel supply port and communicates with the fourth fuel supply port, the anode electrode storage chamber, and the third fuel discharge port constituting a part of the fuel supply port, and the fuel discharge port. It has a 4th fuel discharge port which comprises a part of exit.
そして、アノード電極収納室内にも導電性網状要素が収納されており、導電性網状要素は空孔によって双極プレートとの間に燃料室を構成している。 A conductive mesh element is also housed in the anode electrode housing chamber, and the conductive mesh element forms a fuel chamber between the bipolar plate and the pores.
このセルを多数電気的に直列に接続することにより、燃料電池のスタックが得られる。このスタックにおいては、酸化ガスが空気供給口に供給されて空気室に至る一方、燃料が燃料供給口に供給されて燃料室に至り、両者の電気化学反応により、両端の双極プレート間に起電力を生じる。 A fuel cell stack can be obtained by electrically connecting a large number of these cells in series. In this stack, the oxidizing gas is supplied to the air supply port and reaches the air chamber, while the fuel is supplied to the fuel supply port and reaches the fuel chamber, and an electromotive force is generated between the bipolar plates at both ends by the electrochemical reaction between the two. Produce.
また、このスタックでは、導電性網状要素が酸化ガス等の伝達を行うことから、酸化ガス流路等のあるセパレータを採用する必要がなく、セルを薄くすることができ、発電効率の向上、出力密度の向上、燃料電池の小型化及びコスト低下の効果もある。 Moreover, in this stack, since the conductive mesh element transmits the oxidant gas and the like, it is not necessary to employ a separator having an oxidant gas flow path or the like, the cell can be made thin, the power generation efficiency is improved, the output There is also an effect of improving the density, miniaturizing the fuel cell, and reducing the cost.
しかし、上記セルにおいては、双極プレート及びガスケットをカソード側及びアノード側に採用している。このため、このセルにおいては、アノード電極収納室における燃料排出口と、カソード電極収納室における空気排出口とで流路断面積が絞られている。燃料電池においては、アノード電極収納室における燃料排出口が絞られていても、燃料は使用量だけが供給されることが一般的であるため、燃料の供給性がこれによって問題になることない。ところが、カソード電極収納室における空気排出口が絞られていると、空気の供給圧力を高くせざるを得ないという課題を生じる。 However, the cell employs bipolar plates and gaskets on the cathode and anode sides. For this reason, in this cell, the flow path cross-sectional area is reduced by the fuel discharge port in the anode electrode storage chamber and the air discharge port in the cathode electrode storage chamber. In a fuel cell, even if the fuel discharge port in the anode electrode storage chamber is narrowed, only the amount of fuel used is generally supplied, so that the fuel supply performance does not become a problem. However, when the air discharge port in the cathode electrode storage chamber is narrowed, there is a problem that the supply pressure of air must be increased.
すなわち、燃料電池においては、空気を酸化ガスとして供給することが多く、供給したガスの全てが電気化学反応に供される訳ではない。また、この空気を加圧して供給しなければならないようにすると、そのための設備が必要になり、車両等への搭載性に欠けることとなってしまう。このため、空気についてはほぼ常圧でこれを空気室に供給することが検討されている。このため、カソード電極収納室における空気排出口が絞られていると、空気室の圧力損失が大きく、空気の供給性が問題になってしまう。 That is, in a fuel cell, air is often supplied as an oxidizing gas, and not all of the supplied gas is subjected to an electrochemical reaction. Moreover, if this air must be supplied under pressure, equipment for that purpose will be required, and mounting on a vehicle or the like will be lacking. For this reason, it has been studied to supply air to the air chamber at almost normal pressure. For this reason, if the air discharge port in the cathode electrode storage chamber is restricted, the pressure loss of the air chamber is large, and air supply performance becomes a problem.
本発明は、上記従来の実情に鑑みてなされたものであって、空気の供給性に優れた燃料電池のセル及びスタックを提供することを解決すべき課題としている。 The present invention has been made in view of the above-described conventional situation, and an object to be solved is to provide a cell and stack of a fuel cell excellent in air supply.
本発明の燃料電池のセルは、カソードプレート及びアノードプレートが両者間にカソード電極及びアノード電極を介して電解質膜を挟持してなる燃料電池のセルであって、
前記カソードプレートは、厚さ方向に貫設された空気供給口と、該空気供給口と連通し、前記電解質膜側に設けられたカソード電極収納室と、該カソード電極収納室と連通し、厚さ方向に貫設された空気排出口とを有するものであり、
該カソード電極収納室内には、相互に連通する多くの空孔を有しつつ導電性を有し、各該空孔によって該カソードプレートとの間に空気室を構成する前記カソード電極が収納され、
前記アノードプレートは、厚さ方向に貫設された燃料供給口と、該燃料供給口と連通し、該電解質膜側に設けられたアノード電極収納室と、該アノード電極収納室と連通し、厚さ方向に貫設された燃料排出口とを有するものであり、
該アノード電極収納室内には、相互に連通する多くの空孔を有しつつ導電性を有し、各該空孔によって該アノードプレートとの間に燃料室を構成する前記アノード電極が収納され、
該カソードプレートは、該カソード電極収納室の一端が開放されて前記空気排出口とされていることを特徴とする。
The fuel cell of the present invention is a fuel cell having a cathode plate and an anode plate sandwiching an electrolyte membrane therebetween via a cathode electrode and an anode electrode,
The cathode plate communicates with an air supply port penetrating in the thickness direction, the air supply port, a cathode electrode storage chamber provided on the electrolyte membrane side, and communicates with the cathode electrode storage chamber. Having an air outlet port extending in the vertical direction,
The cathode electrode storage chamber has electrical conductivity while having many holes communicating with each other, and the cathode electrodes constituting the air chamber between the cathode plate and the holes are stored by the holes,
The anode plate communicates with a fuel supply port penetrating in the thickness direction, the fuel supply port, an anode electrode storage chamber provided on the electrolyte membrane side, and the anode electrode storage chamber. And a fuel discharge port extending in the vertical direction,
The anode electrode storage chamber has conductivity while having many holes communicating with each other, and the anode electrode constituting the fuel chamber is stored between the holes and the anode plate by the holes,
The cathode plate is characterized in that one end of the cathode electrode storage chamber is opened to serve as the air discharge port.
本発明のセルでは、カソードプレートとアノードプレートとが異なり、カソードプレートはカソード電極収納室の一端が開放されて空気排出口とされている。このため、空気室の圧力損失が小さく、空気の供給性が優れる。 In the cell of the present invention, the cathode plate and the anode plate are different, and the cathode plate has an air discharge port with one end of the cathode electrode storage chamber opened. For this reason, the pressure loss of an air chamber is small, and the air supply property is excellent.
したがって、本発明のセルによれば、空気の供給性を向上させることができるため、空気を加圧して供給するための設備が不要なシステムをより実現化することが可能になる。 Therefore, according to the cell of this invention, since the supply property of air can be improved, it becomes possible to implement | achieve the system which does not require the installation for pressurizing and supplying air.
前記カソードプレートは、
前記空気供給口と、該空気供給口を前記カソード電極収納室に連通させる空気案内通路とを有する第1プレートと、
コの字型に形成され、該第1プレートと接合されることで該カソード電極収納室を形成するとともに開口部分を前記空気排出口とする第2プレートとで構成され、
前記アノードプレートは、
前記燃料供給口と、該燃料排出口を前記アノード電極収納室に連通させる燃料案内通路とを有する第4プレートと、
枠型に形成され、該第4プレートと接合されることで該アノード電極収納室を形成する第3プレートとで構成されていることが好ましい。
The cathode plate is
A first plate having the air supply port and an air guide passage for communicating the air supply port with the cathode electrode storage chamber;
Formed in a U-shape, and formed by joining the first plate to form the cathode electrode storage chamber and a second plate having the opening portion as the air discharge port,
The anode plate is
A fourth plate having the fuel supply port and a fuel guide passage for communicating the fuel discharge port with the anode electrode storage chamber;
It is preferable that the frame is formed of a third plate that is joined to the fourth plate to form the anode electrode storage chamber.
この場合、第1、2プレートによってカソードプレートを容易に構成することができるとともに、第3、4プレートによってアノードプレートを容易に構成することができる。そして、第2プレートのカソード電極収納室にカソード電極を収納し、第3プレートのアノード電極収納室にアノード電極を収納し、第2、3プレート間に電解質膜を挟持し、かつこの状態で第1〜4プレートを接合することにより、容易に燃料電池のセルを構成することができる。 In this case, the cathode plate can be easily configured by the first and second plates, and the anode plate can be easily configured by the third and fourth plates. The cathode electrode is stored in the cathode electrode storage chamber of the second plate, the anode electrode is stored in the anode electrode storage chamber of the third plate, the electrolyte membrane is sandwiched between the second and third plates, and in this state, the first electrode is stored. By joining 1-4 plates, a fuel cell can be easily constructed.
前記カソード電極及び前記アノード電極は、三次元の網目状に形成された網材と、該網材の前記電解質膜側に一体に形成され、該電解質膜と当接する触媒層と、該網材と該触媒層との間に形成されたカーボン粒子とポリテトラフルオロエチレン粒子とからなる細孔層とを備えていることが好ましい。 The cathode electrode and the anode electrode include a mesh material formed in a three-dimensional mesh shape, a catalyst layer that is integrally formed on the electrolyte membrane side of the mesh material, and contacts the electrolyte membrane, and the mesh material It is preferable to have a pore layer made of carbon particles and polytetrafluoroethylene particles formed between the catalyst layers.
網材を構成する繊維、密度等を選択することにより、空孔の大きさ、導電性、表面張力等を制御しやすい。繊維の直径は100μm以下、気孔率は60%以上、厚みは0.5〜2mm、親水性は水の接触角で50°未満であることが好ましい。網材は織布又は不織布であり得る。電極面と直交する方向に金属繊維をなるべく配列させていることが好ましい。2種以上の線径の異なる繊維を用いたものであることが形状保持性の点で好ましい。ガス等の下流側に向かうに従って繊維の密度が高くなることが好ましい。 By selecting the fibers, density, and the like that constitute the netting material, the pore size, conductivity, surface tension, etc. can be easily controlled. The fiber diameter is preferably 100 μm or less, the porosity is 60% or more, the thickness is 0.5 to 2 mm, and the hydrophilicity is preferably less than 50 ° in water contact angle. The netting material can be a woven fabric or a non-woven fabric. It is preferable that metal fibers are arranged as much as possible in a direction orthogonal to the electrode surface. From the viewpoint of shape retention, it is preferable to use fibers of two or more different wire diameters. It is preferable that the density of the fiber becomes higher toward the downstream side of gas or the like.
繊維からなる網材を採用する場合、網材は導電性を有する必要があることから、導電性の繊維を用いる。導電性の繊維としては、通常のチタン、SUS、タンタル、ハステロイ等の耐食性及び導電性のある金属繊維の他、ニッケル、カーボン等の繊維を採用することができる。 When a mesh material made of fibers is employed, the mesh material needs to have conductivity, and therefore conductive fibers are used. As the conductive fiber, a metal fiber such as nickel or carbon can be employed in addition to a metal fiber having corrosion resistance and conductivity such as normal titanium, SUS, tantalum, and hastelloy.
導電性とともに親水性のある網材であることがより好ましい。網材に親水性を付与するためには、導電性及び親水性の繊維を用いたり、導電性の繊維と親水性の繊維とを同時に用いたりすることができる。導電性及び親水性の繊維としては、親水処理したニッケル、チタン、SUS、タンタル、カーボン等の導電性繊維を採用することができる。親水処理としては、アルカリ処理、表面の酸化処理等を採用することができる。親水性の繊維としては、金属酸化物のウィスカー、植物繊維等を採用することができる。 It is more preferable that the mesh material is hydrophilic as well as conductive. In order to impart hydrophilicity to the netting material, conductive and hydrophilic fibers can be used, or conductive fibers and hydrophilic fibers can be used simultaneously. As the conductive and hydrophilic fibers, conductive fibers such as nickel, titanium, SUS, tantalum, and carbon that have been subjected to hydrophilic treatment can be employed. As the hydrophilic treatment, alkali treatment, surface oxidation treatment, or the like can be employed. As hydrophilic fibers, metal oxide whiskers, plant fibers, and the like can be employed.
触媒層は、網材の電解質側に一体に形成されている。触媒層は、カーボン粒子に触媒が担持された触媒担持カーボンと、電解質とを有し得る。この触媒層は電解質膜と当接する。 The catalyst layer is integrally formed on the electrolyte side of the mesh material. The catalyst layer may have a catalyst-supporting carbon in which a catalyst is supported on carbon particles, and an electrolyte. This catalyst layer is in contact with the electrolyte membrane.
網材と触媒層との間には、相互に連通する多くの細孔を有しつつ導電性を有する細孔層(MPL:Micro Porous Layer)を備えている。細孔層を備える場合、触媒層から網材に電子が移動しやすく、かつ触媒層内の水が細孔層に移動し、触媒層での電気化学反応を阻害し難い。細孔は、最小内径のピークが2μm以下であることが好ましい。細孔の厚みは100μm以下であることが好ましい。 Between the net member and the catalyst layer, there is provided a pore layer (MPL: Micro Porous Layer) having conductivity while having many pores communicating with each other. When the pore layer is provided, electrons easily move from the catalyst layer to the netting material, and water in the catalyst layer moves to the pore layer, and it is difficult to inhibit the electrochemical reaction in the catalyst layer. The pores preferably have a minimum inner diameter peak of 2 μm or less. The thickness of the pores is preferably 100 μm or less.
細孔層は撥水性を有する。これにより細孔層内に移動した水が細孔層から排出されやすく、発電効率及び出力密度が向上する。このような細孔層は、カーボン粒子とポリテトラフルオロエチレン(以下、「PTFE」という。)粒子とからなり得る。PTFEの混合量は20〜60質量%であることが好ましい。撥水性は水の接触角が120°以上であることが好ましい。細孔層は、網材に50μm以上食い込みながら、食い込み面の反対側は網材以上の平滑性を有することが好ましい。 The pore layer has water repellency. Thereby, the water moved into the pore layer is easily discharged from the pore layer, and the power generation efficiency and the output density are improved. Such a pore layer can be composed of carbon particles and polytetrafluoroethylene (hereinafter referred to as “PTFE”) particles. The mixing amount of PTFE is preferably 20 to 60% by mass. For water repellency, the contact angle of water is preferably 120 ° or more. While the fine pore layer bites into the net material by 50 μm or more, it is preferable that the opposite side of the biting surface has a smoothness higher than that of the net material.
細孔層は導電性のフィラーを含むこともできる。この場合、電子抵抗が小さくなって発電効率及び出力密度がより向上する。 The pore layer can also contain a conductive filler. In this case, the electronic resistance is reduced, and the power generation efficiency and the output density are further improved.
前記第2プレートは、前記カソード電極収納室の前記第1プレート側が大面積となるように、周面が厚さ方向に対して傾斜し、前記カソード電極は該第1プレート側が大面積となるように周面が厚さ方向に対して傾斜し、
前記第3プレートは、前記アノード電極収納室の前記第4プレート側が大面積となるように、周面が厚さ方向に対して傾斜し、前記アノード電極は該第4プレート側が大面積となるように周面が厚さ方向に対して傾斜していることが好ましい。
The peripheral surface of the second plate is inclined with respect to the thickness direction so that the first plate side of the cathode electrode storage chamber has a large area, and the cathode electrode has a large area on the first plate side. The peripheral surface is inclined with respect to the thickness direction,
The third plate has a peripheral surface inclined with respect to the thickness direction so that the fourth plate side of the anode electrode storage chamber has a large area, and the anode electrode has a large area on the fourth plate side. It is preferable that the peripheral surface is inclined with respect to the thickness direction.
このように第2プレート及びカソード電極並びに第3プレート及びアノード電極が形成されれば、第1〜4プレートを積層して電気的に直列に接続する際、網材を有するカソード電極やアノード電極がたとえ毛羽立っていても、その毛羽によって電解質膜を傷つけ難い。 When the second plate and the cathode electrode and the third plate and the anode electrode are formed in this way, when the first to fourth plates are stacked and electrically connected in series, the cathode electrode and the anode electrode having a mesh material are Even if it is fluffy, it is difficult to damage the electrolyte membrane by the fluff.
各前記プレートは矩形をなし、前記空気供給口は各該プレートの一辺側で幅方向に延びて形成されていることが好ましい。この場合、空気供給口の開口面積が大きくなり、より一層圧力損失を生じ難い。 Preferably, each of the plates has a rectangular shape, and the air supply port extends in the width direction on one side of the plate. In this case, the opening area of the air supply port is increased, and pressure loss is less likely to occur.
空気供給口は各プレートの上辺側に形成されていることができる。一方、燃料供給口及び燃料排出口は各プレートの他辺側の両端に形成されていることができる。カソード電極収納室における空気排出口が開放されていることから、燃料供給口及び燃料排出口をその左右に形成することがバランス上優れているからである。 The air supply port can be formed on the upper side of each plate. Meanwhile, the fuel supply port and the fuel discharge port may be formed at both ends on the other side of each plate. This is because, since the air discharge port in the cathode electrode storage chamber is open, it is excellent in balance to form the fuel supply port and the fuel discharge port on the left and right sides thereof.
本発明のセルを用いて本発明の燃料電池のスタックが構成され得る。本発明のスタックは、上記セルを多数電気的に直列に接続してなることを特徴とする。 A stack of the fuel cell of the present invention can be configured using the cell of the present invention. The stack of the present invention is characterized in that a large number of the cells are electrically connected in series.
本発明のスタックによれば、集電性と酸化ガスの供給性とをともに向上させることができる。 According to the stack of the present invention, it is possible to improve both the current collecting property and the oxidizing gas supply property.
以下、本発明を具体化した実施例を図面を参照しつつ説明する。 DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Embodiments embodying the present invention will be described below with reference to the drawings.
実施例の燃料電池のセルは、図1及び図2に示すように、第1プレート1、第2プレート2、第3プレート3、第4プレート4、カソード電極5、アノード電極6及び電解質膜7を有している。第1プレート1及び第2プレート2がカソードプレートであり、第3プレート3及び第4プレート4がアノードプレートである。
As shown in FIGS. 1 and 2, the fuel cell of the embodiment includes a
第1プレート1は導電性材料製の矩形板状のものである。第1プレート1は、上辺側で幅方向に延びて厚さ方向に貫設された第1空気供給口1aと、同じく上辺側で幅方向に延び、第1空気供給口1aと連通する空気案内通路としての空気案内溝1bと、下辺側の両端で厚さ方向に貫設された第1燃料供給口1c及び第1燃料排出口1dとを有する。
The
第2プレート2は、導電性材料製であり、上辺と、上辺の両端から直角に下がる凸部とからなるコの字型のフレーム形状のものである。第2プレート2は、上辺側で幅方向に延びて厚さ方向に貫設され、第1空気供給口1aと連通する第2空気供給口2aと、第1空気供給口1aと空気案内溝1bによって連通し、第1プレート1側及び電解質膜7側に設けられたカソード電極収納室2bと、一方の凸部で厚さ方向に貫設され、第1燃料供給口1cと連通する第2燃料供給口2cと、他方の凸部で厚さ方向に貫設され、第1燃料排出口1dと連通する第2燃料排出口(図示せず)とを有する。こうして、第2プレート2は、カソード電極収納室2bの下端がコの字型のフレームの開口部分となるように形成されることにより、大気に対して開放されて第2空気排出口2eとされている。
The
第3プレート3は、導電性材料製であり、4辺をもつフレーム形状のものである。第3プレート3は、上辺側で幅方向に延びて厚さ方向に貫設され、第2空気供給口2aと連通する第3空気供給口3aと、後述の第4燃料供給口4cと燃料案内溝4bによって連通し、第4プレート4側及び電解質膜7側に設けられたアノード電極収納室3bと、左辺で厚さ方向に貫設され、第2燃料供給口2cと連通する第3燃料供給口3cと、右辺で厚さ方向に貫設され、第2燃料排出口と連通する第3燃料排出口(図示せず)とを有する。
The
第4プレート4は導電性材料製の矩形板状のものである。第4プレート4は、上辺側で幅方向に延びて厚さ方向に貫設され、第3空気供給口3aと連通する第4空気供給口4aと、下辺の一端で厚さ方向に貫設され、第3燃料供給口3cと連通する第4燃料供給口4cと、下辺の他端で厚さ方向に貫設され、第3燃料排出口と連通する第4燃料排出口4dと、第3燃料供給口3cの回りで凹設され、第3燃料供給口3cをアノード電極収納室3bに連通させる燃料案内通路としての燃料案内溝4bと、第4燃料排出口の回りで凹設され、アノード電極収納室3bを第4燃料排出口4dに連通させる燃料案内通路としての燃料案内溝4eとを有する。
The
第1〜4プレート1〜4は外形が整合している。また、第1〜4空気供給口1a、2a、3a、4aは同一形状で形成されて空気供給口を構成し、カソード電極収納室2bの下端が第2空気排出口2eとされている。また、第1〜4燃料供給口1c、2c、3c、4cも同一形状で形成されて燃料供給口を構成し、第1〜4燃料排出口1d、4dも同一形状で形成されて燃料排出口を構成している。
The outer shapes of the first to
こうして、第1、2プレート1、2によってカソードプレートを容易に構成することができるとともに、第3、4プレート3、4によってアノードプレートを容易に構成することができる。
Thus, the cathode plate can be easily configured by the first and
カソード電極5及びアノード電極6としては、図3に示すように、三次元の網目状に形成された板状の網材5a、6aを採用している。網材5a、6aは、チタン繊維からなる導電性及び親水性の繊維によって三次元の網目状に形成されている。網材5a、6aにおける水の接触角は、それぞれ40°、30°である。
As the
また、網材5a、6aの電解質膜7側にはカーボン粒子/PTFE/導電性フィラーからなる撥水性の細孔層5b、6bが形成されている。細孔層5b、6bにおける水の接触角は120°超である。また、細孔層5b、6bのさらに電解質膜7側には、触媒層5c、6cが形成されている。触媒層5c、6cは、カーボン粒子に触媒が担持された触媒担持カーボンと、電解質とを有する。
Water
第2プレート2のカソード電極収納室2b内にカソード電極5が収納される。この際、カソード電極5は触媒層5cが電解質膜7側になるようにされる。第2プレート2は、図4に示すように、カソード電極収納室2bの第1プレート1側が大面積となるように、全周面が厚さ方向に対して傾斜している。また、カソード電極5も第1プレート1側が大面積となるように全周面が厚さ方向に対して傾斜している。
The
また、第3プレート3のアノード電極収納室3b内にアノード電極5が収納される。この際、アノード電極6は触媒層6cが電解質膜7側になるようにされる。第3プレート3は、アノード電極収納室3bの第4プレート4側が大面積となるように、全周面が厚さ方向に対して傾斜している。また、アノード電極6も第4プレート4側が大面積となるように全周面が厚さ方向に対して傾斜している。
Further, the
電解質膜7はナフィオン等の固体高分子膜からなる。そして、第2、3プレート2、3間に電解質膜7を挟持し、かつこの状態で第1〜4プレート1〜4を積層し、電気的に直列に接続する。この際、第2、3プレート2、3におけるカソード電極収納室2b及びアノード電極収納室3b並びにカソード電極5及びアノード電極6の全周面が上記のように傾斜しているため、網材5a、6aを有するカソード電極5やアノード電極6がたとえ毛羽立っていても、その毛羽によって電解質膜7を傷つけ難い。
The
こうして、カソード電極5は繊維間の相互に連通する各空孔によって第1プレート1との間で空気室を構成する。また、アノード電極6は各空孔によって第4プレート1との間で燃料室を構成する。これにより1枚のセル30が容易に構成される。
Thus, the
隣り合うセル30は第1、4プレート1、4を共通にしている。そして、図5に示すように、複数のセル30が積層されて電気的に直列に接続され、スタック31が構成される。スタック31では、全てのセル30の空気供給口が連通しているとともに、全てのセル30の燃料供給口及び燃料排出口が連通している。
スタック31の燃料供給口には、図6に示すように、バルブ32を介して水素タンク33が接続される。なお、スタック31の燃料供給口には、排水のための図示しないバルブを介して外気に接続される。また、スタック31の空気供給口には、空気ファン34によって酸化ガスとしての空気が常圧で供給されるようになっており、スタック31の空気排出口は外気に接続されている。そして、スタック31の両端の第1、4プレート1、4は自動車のモータ等の負荷35に電気的に接続され、スタック31の上端はポンプ36によって循環するようにラジエータ37に接続されている。こうして燃料電池システムが構成される。
As shown in FIG. 6, a
以上のように構成されたスタック31においては、空気供給口に供給される空気と、燃料供給口に供給される水素との電気化学反応により、起電力を生じる。
In the
この際、このスタック31では、第2プレート2において、カソード電極収納室2bの下端が開放されて空気排出口2eとされているため、空気室の圧力損失が小さく、空気の供給性が優れる。特に、開口面積の大きな空気供給口から空気を供給するため、圧力損失が一層生じ難い。
At this time, in the
したがって、実施例のスタック31によれば、空気の供給性を向上させることができるため、空気を加圧して供給するための設備が不要なシステムをより実現化することが可能になる。
Therefore, according to the
また、このスタック31では、第1〜4プレート1〜4が導電性材料製であり、従来のような非導電性材料のガスケットを採用していないため、電子抵抗が小さく、高い出力密度を達成できる。
Further, in this
さらに、網材5a、6aの繊維間である空気室及び燃料室では、空気又は燃料の伝達を可能としながら、繊維による表面張力によって生成水や残留水が厚さ方向に拡散し、生成水や残留水が詰まり難い。このため、このスタック31においては、空気及び水素の圧力損失を生じ難く、優れた供給性を発揮できる。
Further, in the air chamber and the fuel chamber between the fibers of the
また、この空気室及び燃料室では、繊維による表面張力によって生成水や残留水が厚さ方向に拡散して乾き難く、また安定した接触面積を確保できる。このため、このスタック31においては、優れた集電性も発揮できる。
Further, in the air chamber and the fuel chamber, the generated water and residual water are diffused in the thickness direction due to the surface tension caused by the fibers and are difficult to dry, and a stable contact area can be secured. For this reason, the
さらに、網材5a、6aと触媒層5c、6cとの間に撥水性の細孔層5b、6bを備えているため、触媒層5c、6cから網材5a、6aに電子が移動しやすく、かつ触媒層5c、6c内の水が細孔層5b、6bに移動し、触媒層5c、6cでの電気化学反応を阻害し難い。
Furthermore, since the water-
また、このスタック31では、空気供給口が各プレート1〜4の上辺側に形成されていることから、空気室に対し、上方から空気が供給される。
Moreover, in this
なお、各プレート1〜4の上下を逆として空気供給口を下方として、空気室に対し、下方から空気を供給することも可能である。この場合、セル30における空気の入口部ではガス流速によるドライアップが生じやすい傾向があるが、下方からの空気の供給により、生成水の排出速度が下がるため、入口部の乾燥を抑制できる。また、各空気室の上方まで移動した水蒸気は、周囲の未反応の空気より軽いことから効果的に空気室から排出される。こうして、各セルにおいて、自ら生じる生成水によって自ら加湿が行われ、水分量のバランスを自動的に保ち易い。このため、セル電圧が低下し難く、十分なスタック電圧を安定して生じ易くなる。
It is also possible to supply air from below to the air chamber by turning the
以上において、本発明を実施例に即して説明したが、本発明は上記実施例に制限されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更して適用できることはいうまでもない。 While the present invention has been described with reference to the embodiments, it is needless to say that the present invention is not limited to the above-described embodiments and can be appropriately modified and applied without departing from the spirit thereof.
本発明は、電気自動車等の移動用電源、屋外据え置き用電源、ポータブル電源等の燃料電池システムに利用可能である。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can be used for a fuel cell system such as a moving power source for an electric vehicle, an outdoor stationary power source, and a portable power source.
1、2…カソードプレート(1…第1プレート、2…第2プレート)
3、4…アノードプレート(3…第3プレート、4…第4プレート)
7…電解質膜
30…セル
1a、2a、3a、4a…空気供給口(1a…第1空気供給口、2a…第2空気供給口、3a…第3空気供給口、4a…第4空気供給口)
2e…空気排出口
2b…カソード電極収納室
5…カソード電極
1c、2c、3c、4c…燃料供給口(1c…第1燃料供給口、2c…第2燃料供給口、3c…第3燃料供給口、4c…第4燃料供給口)
1d、4d…燃料排出口(1d…第1燃料排出口、4d…第4燃料排出口)
3b…アノード電極収納室
6…アノード電極
1b…空気案内通路(空気案内溝)
4b、4d…燃料案内通路(燃料案内溝)
5a、6a…網材
5c、6c…触媒層
31…スタック
1, 2 ... Cathode plate (1 ... 1st plate, 2 ... 2nd plate)
3, 4 ... anode plate (3 ... third plate, 4 ... fourth plate)
DESCRIPTION OF
2e ...
1d, 4d ... fuel outlet (1d ... first fuel outlet, 4d ... fourth fuel outlet)
3b ... Anode
4b, 4d ... Fuel guide passage (fuel guide groove)
5a, 6a ... Network material 5c, 6c ...
Claims (5)
前記カソードプレートは、厚さ方向に貫設された空気供給口と、該空気供給口と連通し、前記電解質膜側に設けられたカソード電極収納室と、該カソード電極収納室と連通し、厚さ方向に貫設された空気排出口とを有するものであり、
該カソード電極収納室内には、相互に連通する多くの空孔を有しつつ導電性を有し、各該空孔によって該カソードプレートとの間に空気室を構成する前記カソード電極が収納され、
前記アノードプレートは、厚さ方向に貫設された燃料供給口と、該燃料供給口と連通し、該電解質膜側に設けられたアノード電極収納室と、該アノード電極収納室と連通し、厚さ方向に貫設された燃料排出口とを有するものであり、
該アノード電極収納室内には、相互に連通する多くの空孔を有しつつ導電性を有し、各該空孔によって該アノードプレートとの間に燃料室を構成する前記アノード電極が収納され、
該カソードプレートは、該カソード電極収納室の一端が開放されて前記空気排出口とされていることを特徴とする燃料電池のセル。 A fuel cell comprising a cathode plate and an anode plate sandwiching an electrolyte membrane between the cathode plate and the anode electrode via the cathode electrode and the anode electrode,
The cathode plate communicates with an air supply port penetrating in the thickness direction, the air supply port, a cathode electrode storage chamber provided on the electrolyte membrane side, and communicates with the cathode electrode storage chamber. Having an air outlet port extending in the vertical direction,
The cathode electrode storage chamber has electrical conductivity while having many holes communicating with each other, and the cathode electrodes constituting the air chamber between the cathode plate and the holes are stored by the holes,
The anode plate communicates with a fuel supply port penetrating in the thickness direction, the fuel supply port, an anode electrode storage chamber provided on the electrolyte membrane side, and the anode electrode storage chamber. And a fuel discharge port extending in the vertical direction,
The anode electrode storage chamber has conductivity while having many holes communicating with each other, and the anode electrode constituting the fuel chamber is stored between the holes and the anode plate by the holes,
The cathode of the fuel cell, wherein one end of the cathode electrode storage chamber is opened to serve as the air discharge port.
前記空気供給口と、該空気供給口を前記カソード電極収納室に連通させる空気案内通路とを有する第1プレートと、
コの字型に形成され、該第1プレートと接合されることで該カソード電極収納室を形成するとともに開口部分を前記空気排出口とする第2プレートとで構成され、
前記アノードプレートは、
前記燃料供給口と、該燃料排出口を前記アノード電極収納室に連通させる燃料案内通路とを有する第4プレートと、
枠型に形成され、該第4プレートと接合されることで該アノード電極収納室を形成する第3プレートとで構成されている請求項1記載の燃料電池のセル。 The cathode plate is
A first plate having the air supply port and an air guide passage for communicating the air supply port with the cathode electrode storage chamber;
Formed in a U-shape, and formed by joining the first plate to form the cathode electrode storage chamber and a second plate having the opening portion as the air discharge port,
The anode plate is
A fourth plate having the fuel supply port and a fuel guide passage for communicating the fuel discharge port with the anode electrode storage chamber;
2. The fuel cell according to claim 1, comprising a third plate that is formed in a frame shape and is joined to the fourth plate to form the anode electrode storage chamber. 3.
前記第3プレートは、前記アノード電極収納室の前記第4プレート側が大面積となるように、周面が厚さ方向に対して傾斜し、前記アノード電極は該第4プレート側が大面積となるように周面が厚さ方向に対して傾斜している請求項3記載の燃料電池のセル。 The peripheral surface of the second plate is inclined with respect to the thickness direction so that the first plate side of the cathode electrode storage chamber has a large area, and the cathode electrode has a large area on the first plate side. The peripheral surface is inclined with respect to the thickness direction,
The third plate has a peripheral surface inclined with respect to the thickness direction so that the fourth plate side of the anode electrode storage chamber has a large area, and the anode electrode has a large area on the fourth plate side. The fuel cell according to claim 3, wherein the peripheral surface is inclined with respect to the thickness direction.
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