JP2008293808A - Separator and fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池用のセパレータ、および、かかるセパレータを用いた燃料電池に関し、特に燃料電池の温度管理に関する。 The present invention relates to a separator for a fuel cell and a fuel cell using such a separator, and more particularly to temperature management of the fuel cell.
燃料電池、例えば、固体高分子型燃料電池は、電解質膜を挟んで対峙する2つの電極(燃料極と酸素極)にそれぞれ反応ガス(水素を含有する燃料ガスと酸素を含有する酸化ガス)を供給して電気化学反応を引き起こすことにより、物質の持つ化学エネルギを直接電気エネルギに変換する。かかる燃料電池の主要な構造として、略平板状の電解質膜を含む発電体とセパレータとを交互に積層して、積層方向に締結する、いわゆるスタック構造のものが知られている(例えば、特許文献1)。 In a fuel cell, for example, a polymer electrolyte fuel cell, a reactive gas (a fuel gas containing hydrogen and an oxidizing gas containing oxygen) is respectively applied to two electrodes (a fuel electrode and an oxygen electrode) facing each other with an electrolyte membrane interposed therebetween. By supplying and causing an electrochemical reaction, the chemical energy of the substance is directly converted into electrical energy. As a main structure of such a fuel cell, a so-called stack structure in which a power generator including a substantially flat electrolyte membrane and a separator are alternately stacked and fastened in a stacking direction is known (for example, Patent Documents). 1).
ところで、燃料電池における電気化学反応は発熱反応であるため、燃料電池の運転中における温度管理が一つの重要な技術テーマとなっている。上記従来技術では、酸化ガスを排出するための酸化ガス排出マニホールドが、セパレータの外周縁に配置されている。このため、酸化ガス排出マニホールドとの温度差が大きくなるおそれがあった。この結果、酸化ガス排出マニホールド内で水分が凝縮・結露するおそれがあった。凝縮・結露した水分は、酸化ガスの流動を妨げ、燃料電池の性能劣化を引き起こし得る。 By the way, since the electrochemical reaction in the fuel cell is an exothermic reaction, temperature management during operation of the fuel cell is one important technical theme. In the above prior art, an oxidizing gas discharge manifold for discharging the oxidizing gas is disposed on the outer peripheral edge of the separator. For this reason, the temperature difference from the oxidizing gas discharge manifold may be increased. As a result, there is a possibility that moisture is condensed and condensed in the oxidizing gas discharge manifold. Condensed / condensed water may hinder the flow of the oxidizing gas and cause deterioration of the performance of the fuel cell.
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、酸化ガス排出マニホールドと、発電体との温度差を抑制することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object thereof is to suppress a temperature difference between the oxidizing gas discharge manifold and the power generation body.
上記課題を解決するために本発明の第1の態様は、発電体を含む発電モジュールと交互に積層されて燃料電池を構成するセパレータを提供する。第1の態様に係るセパレータは、酸化ガスを排出するための酸化ガス排出マニホールド孔と、積層時に、前記発電体と積層方向に重なる領域であって、少なくとも前記酸化ガス排出マニホールド孔の一の側に位置する部分と、前記酸化ガス排出マニホールド孔の前記一の側の反対側に位置する部分を含む、発電領域と、を備える。 In order to solve the above problems, a first aspect of the present invention provides a separator that is alternately stacked with a power generation module including a power generation body to constitute a fuel cell. The separator according to the first aspect includes an oxidizing gas discharge manifold hole for discharging oxidizing gas, and a region that overlaps with the power generator in the stacking direction when stacked, and at least one side of the oxidizing gas discharge manifold hole And a power generation region including a portion located on the opposite side of the one side of the oxidizing gas discharge manifold hole.
第1の態様に係るセパレータにおいて、酸化ガス排出マニホールドは、発電体と重なる発電領域に挟まれている。従って、第1の態様に係るセパレータを用いれば、燃料電池において、発電体と積層方向に重なる部分と、酸化ガス排出マニホールドとの間の温度差を小さくすることができる。この結果、かかる温度差に起因する不具合を抑制することができる。 In the separator according to the first aspect, the oxidizing gas discharge manifold is sandwiched between power generation regions overlapping with the power generation body. Therefore, if the separator according to the first aspect is used, in the fuel cell, the temperature difference between the portion overlapping the power generator and the stacking direction and the oxidizing gas discharge manifold can be reduced. As a result, it is possible to suppress problems caused by such temperature differences.
本発明の第2の態様は、発電体を含む発電モジュールと交互に積層されて燃料電池を構成するセパレータを提供する。第2の態様に係るセパレータは、酸化ガスを排出するためのマニホールド孔であって、少なくとも一方向について、前記セパレータの略中央部に配置された酸化ガス排出マニホールド孔と、前記酸化ガス排出マニホールド孔とは異なる位置に配置され、積層時に前記発電体と重なる発電領域と、を備える。 A second aspect of the present invention provides a separator that is alternately stacked with a power generation module including a power generation body to constitute a fuel cell. The separator according to the second aspect is a manifold hole for exhausting the oxidizing gas, and at least in one direction, the oxidizing gas exhaust manifold hole disposed at a substantially central portion of the separator, and the oxidizing gas exhaust manifold hole And a power generation region that overlaps with the power generator when stacked.
第2の態様に係るセパレータにおいて、酸化ガス排出マニホールドは、少なくとも一方向について外部との間に距離をとることができ、酸化ガス排出マニホールドから外部への放熱を抑制することができる。従って、第1の態様に係るセパレータを用いれば、燃料電池において、発電体と積層方向に重なる部分と、酸化ガス排出マニホールドとの間の温度差を小さくすることができる。この結果、かかる温度差に起因する不具合を抑制することができる。 In the separator according to the second aspect, the oxidizing gas discharge manifold can take a distance from the outside in at least one direction, and heat radiation from the oxidizing gas discharge manifold to the outside can be suppressed. Therefore, if the separator according to the first aspect is used, in the fuel cell, the temperature difference between the portion overlapping the power generator and the stacking direction and the oxidizing gas discharge manifold can be reduced. As a result, it is possible to suppress problems caused by such temperature differences.
上記態様に係るセパレータにおいて、前記発電領域は、前記酸化ガス排出マニホールド孔の一の側に隣り合う第1の領域と、前記酸化ガス排出マニホールド孔の前記一の側の反対側に隣り合う第2の領域を含んでも良い。こうすれば、複数の発電領域を設けて、酸化ガス排出マニホールドを両側から挟むことにより、発電体と積層方向に重なる部分と、酸化ガス排出マニホールドとの間の温度差を小さくすることができる。 In the separator according to the aspect described above, the power generation region includes a first region adjacent to one side of the oxidizing gas discharge manifold hole and a second adjacent to the opposite side of the one side of the oxidizing gas discharge manifold hole. May be included. In this way, by providing a plurality of power generation regions and sandwiching the oxidizing gas discharge manifold from both sides, the temperature difference between the portion overlapping the power generator and the stacking direction and the oxidizing gas discharge manifold can be reduced.
上記態様に係るセパレータにおいて、さらに、酸化ガスを供給するためのマニホールド孔であって、前記第1の領域に対して前記酸化ガス排出マニホールド孔と反対側に隣り合う第1の酸化ガス供給マニホールド孔と、酸化ガスを供給するためのマニホールド孔であって、前記第2の領域に対して前記酸化ガス排出マニホールド孔と反対側に隣り合う第2の酸化ガス供給マニホールド孔と、を備えても良い。こうすれば、セパレータにおいて、酸化ガス供給マニホールドを外側に、酸化ガス排出マニホールドを内側に配置して、酸化ガス排出マニホールドの温度の低下を抑制することができる。この結果、発電体と積層方向に重なる部分と、酸化ガス排出マニホールドとの間の温度差をより小さくすることができる。 The separator according to the above aspect further includes a manifold hole for supplying an oxidizing gas, the first oxidizing gas supply manifold hole adjacent to the first region opposite to the oxidizing gas discharge manifold hole. And a second oxidant gas supply manifold hole for supplying an oxidant gas adjacent to the second region on the opposite side of the oxidant gas discharge manifold hole. . In this way, in the separator, the oxidizing gas supply manifold can be arranged on the outside and the oxidizing gas discharge manifold can be arranged on the inside, so that a decrease in the temperature of the oxidizing gas discharge manifold can be suppressed. As a result, the temperature difference between the portion overlapping the power generation body in the stacking direction and the oxidizing gas discharge manifold can be further reduced.
本発明は、上記態様のほか、種々の態様にて実現され得る。例えば、本発明は、上記態様に係るセパレータと、発電体を含む発電モジュールとを交互に積層して構成された燃料電池、かかる燃料電池を含む燃料電池システム、かかる燃料電池を搭載した車両などの装置発明として実現される。 The present invention can be realized in various aspects in addition to the above aspect. For example, the present invention provides a fuel cell configured by alternately laminating the separator according to the above aspect and a power generation module including a power generator, a fuel cell system including the fuel cell, a vehicle equipped with the fuel cell, and the like. This is realized as a device invention.
以下、本発明の実施態様に係る燃料電池について、図面を参照しつつ、実施例に基づいて説明する。 Hereinafter, a fuel cell according to an embodiment of the present invention will be described based on examples with reference to the drawings.
A.実施例:
・燃料電池の構成
本発明の実施例に係る燃料電池の構成について、図1〜図6を参照して説明する。図1および図2は、実施例に係る燃料電池の外観構成を示す図である。図3および図4は、実施例における膜電極接合体を説明する図である。図3は、膜電極接合体の平面図を示し、図4(A)〜(B)は、図3におけるA−A断面、B−B断面をそれぞれ示している。図5および図6は、実施例におけるセパレータの構成を示す図である。図5は、セパレータの平面図を示し、図6は、セパレータを構成する各プレートの平面図を示している。
A. Example:
-Structure of fuel cell The structure of the fuel cell which concerns on the Example of this invention is demonstrated with reference to FIGS. 1 and 2 are diagrams showing an external configuration of a fuel cell according to an embodiment. FIG. 3 and FIG. 4 are diagrams for explaining a membrane electrode assembly in an example. FIG. 3 shows a plan view of the membrane electrode assembly, and FIGS. 4A to 4B show an AA section and a BB section in FIG. 3, respectively. 5 and 6 are diagrams showing the configuration of the separator in the example. FIG. 5 shows a plan view of the separator, and FIG. 6 shows a plan view of each plate constituting the separator.
図1に示すように、燃料電池100は、複数の膜電極接合体200と、複数のセパレータ600が交互に積層されたスタック構造を有している。図2に示すように、セパレータ600と膜電極接合体200との間には、アノード側多孔体840またはカソード側多孔体850が配置される。アノード側多孔体840は、図2に示す例のように、セパレータ600と一体に構成されても良いし、別体として構成されても良い。
As shown in FIG. 1, the fuel cell 100 has a stack structure in which a plurality of membrane electrode assemblies 200 and a plurality of
アノード側多孔体840は、セパレータ600のアノード側と、膜電極接合体200のアノード側との間に配置され、カソード側多孔体850は、セパレータ600のカソード側と膜電極接合体200のカソード側との間に配置されている。アノード側多孔体840およびカソード側多孔体850は、金属多孔体などのガス拡散性および導電性を有する多孔質の材料で形成されている。アノード側多孔体840およびカソード側多孔体850は、後述するアノード側拡散層820およびカソード側拡散層830より空孔率が高く、ガスの流動抵抗が低いものが用いられ、後述するように反応ガスが流動するための流路として機能する。
The anode side
図1に示すように、燃料電池100には、酸化ガスが供給される酸化ガス供給マニホールド110a〜110cと、酸化ガスを排出する酸化ガス排出マニホールド120a〜120cと、燃料ガスが供給される燃料ガス供給マニホールド130a、130bと、燃料ガスを排出する燃料ガス排出マニホールド140と、冷却媒体を供給する冷却媒体供給マニホールド150a、150bと、冷却媒体を排出する冷却媒体排出マニホールド160a、160bと、が設けられている。これらのマニホールドは、燃料電池100の積層方向に形成された管状の形状を有している。なお、酸化ガスとしては空気が一般的に用いられ、燃料ガスとしては水素が一般的に用いられる。また、酸化ガス、燃料ガスは共に反応ガスとも呼ばれる。冷却媒体としては、水、エチレングリコール等の不凍水、空気等を用いることができる。
As shown in FIG. 1, the fuel cell 100 is supplied with oxidizing
図3および図4を参照しながら、膜電極接合体200の構成について説明する。膜電極接合体200は、図3および図4に示すように2つの発電部800aおよび800bと、非発電部700とから構成されている。
The configuration of the
発電部800aは、図4に示すように、発電体810と、アノード側拡散層820と、カソード側拡散層830とが積層されて構成されている。図3には、カソード側拡散層830とアノード側拡散層820の外周端が波線で示されている。この波線の内側の部分は、発電が行われる発電部800aおよび発電部800bである。発電部800aおよび発電部800bの積層方向からみた形状は、短辺と長辺を有する略矩形である。
As shown in FIG. 4, the
発電体810は、本実施例では、一方の面にカソードとしての触媒層が、他方の面にアノードとしての触媒層が塗布されたイオン交換膜である(触媒層の図示は省略)。イオン交換膜は、フッ素系樹脂材料あるいは炭化水素系樹脂材料で形成され湿潤状態において良好なイオン導電性を有する。触媒層は、例えば、白金または白金と他の金属からなる合金を含んでいる。
In this embodiment, the
アノード側拡散層820は、発電体810のアノード側の面に接して配置され、カソード側拡散層830は、発電体810のカソード側の面に接して配置される。アノード側拡散層820およびカソード側拡散層830は、例えば、炭素繊維からなる糸で織成したカーボンクロス、あるいはカーボンペーパまたはカーボンフェルトによって形成される。
The anode-
発電部800bは、上述した発電部800aと同一の構成を有しているので、以後の説明では同一の構成要素については同一の符号を付し、詳しい説明を省略する。
Since the
非発電部700は、発電部800aと発電部800bの面方向の外周に全周に亘って配置されている。具体的には、2つの発電部800aおよび発電部800bは、図3のY軸方向(上下方向)に並んで配置されており、並べられた2つの発電部800a、800bの全周、および、発電部800aと発電部800bとの間に、非発電部700が形成されている。非発電部700は、気密に接着された2枚のシール部材、すなわち、第1部材700aと第2部材700bとから構成されている。第1部材700aと第2部材700bは、発電体810とカソード側拡散層830とアノード側拡散層820の外周端部を挟むように構成されている。これによって、発電体810のアノード側とカソード側との間における反応ガスの混合を抑制している。第1部材700aと第2部材700bは、絶縁性とガス不透性と燃料電池の運転温度域における耐熱性とを有する材料、例えば、熱硬化性樹脂、汎用プラスチックなどの樹脂材料によって形成される。
The
非発電部700には、図3においてクロスハッチングで示すように、図1における各マニホールド110a〜160bに対応する貫通孔(マニホールド孔)が形成されている。非発電部700は、図示されていない両側のそれぞれ隣接するセパレータ600と気密に接着されてセパレータ600との間をシールし、反応ガス(本実施例では、水素および空気)や冷却水の漏洩を防止する。具体的には、発電部800a、800bの全周と、個々のマニホールド孔の全周(ただし、後述する反応ガスの供給/排出のための流路部分は除く)とがシールされる。
As shown by cross-hatching in FIG. 3, the
これらのマニホールド孔のうち、酸化ガス排出マニホールド120a〜120cは、発電部800aと発電部800bとの間に配置されている。酸化ガス排出マニホールド120a〜120bは、発電部800aの図3における下側(Y軸正方向側)の長辺と、発電部800bの上側(Y軸負方向側)の長辺に沿って、これらの長辺のほぼ全長に亘って、形成されている。
Among these manifold holes, the oxidizing
マニホールド孔のうち、上述した3つの酸化ガス排出マニホールド120a〜120c以外のマニホールドは、膜電極接合体200の外周縁に沿って、形成されている。具体的には、3つの酸化ガス供給マニホールド110a〜110cは、膜電極接合体200の図3における上側(Y軸負方向側)の辺に沿って配置されている。これらの酸化ガス供給マニホールド110a〜110cは、発電部800aに対して、それぞれ酸化ガス排出マニホールド120a〜120cと反対側に位置している。他の3つの酸化ガス供給マニホールド110d〜110fは、膜電極接合体200の図3における下側(Y軸正方向側)の辺に沿って配置されている。これらの酸化ガス供給マニホールド110d〜110fは、発電部800bに対して、それぞれ酸化ガス排出マニホールド120a〜120cと反対側に位置している。
Among the manifold holes, manifolds other than the three oxidizing
2つの冷却媒体供給マニホールド150a、150bは、膜電極接合体200の図3における左側(X軸負方向側)の辺に沿って配置されている。このうち、冷却媒体供給マニホールド150aは、発電部800aの左側の短辺に沿って、当該辺の略全長に亘って、形成されている。冷却媒体供給マニホールド150bは、発電部800aの左側の短辺に沿って、当該辺の略全長に亘って、形成されている。
The two cooling
2つの冷却媒体排出マニホールド160a、160bは、膜電極接合体200の図3における右側(X軸正方向側)の短辺に沿って配置されている。このうち、冷却媒体排出マニホールド160aは、発電部800aの右側の短辺に沿って、当該辺の略全長に亘って、形成されている。冷却媒体排出マニホールド160bは、積層部材800bの右側の短辺に沿って、当該辺の略全長に亘って、形成されている。
The two cooling
2つの燃料ガス供給マニホールド130aおよび130bは、膜電極接合体200の図3における左上の角(X軸負方向、Y軸負方向の角)および左下の角(X軸負方向、Y軸正方向の角)にそれぞれ配置されている。燃料ガス供給マニホールド130aは、発電部800aの発電体810に燃料ガスを供給し、燃料ガス供給マニホールド130bは、発電部800bの発電体810に燃料ガスを供給する。
The two fuel
燃料ガス排出マニホールド140は、膜電極接合体200の図3における右側の辺の中央部に、冷却媒体排出マニホールド160aと冷却媒体排出マニホールド160bとの間に挟まれて配置されている。
The fuel
非発電部700には、さらに、反応ガスの供給/排出のための流路として、2つの燃料ガス供給流路630、2つの燃料ガス排出流路640、多数の酸化ガス供給流路650、多数の酸化ガス排出流路660が形成されている。これらの流路630〜640は、図3において、シングルハッチングで示す位置に、図4(A)に示すように、非発電部700を貫通しない溝状に形成されている。燃料ガス供給流路630および燃料ガス排出流路640は、図3における裏側、すなわち、非発電部700のアノード側に形成され、酸化ガス供給流路650および酸化ガス排出流路660は、図3における表側、すなわち、非発電部700のカソード側に形成されている。
The
一つの燃料ガス供給流路630は、燃料ガス供給マニホールド130aと、発電部800aと重なるアノード側多孔体840とを連通し、もう一つの燃料ガス供給流路630は、燃料ガス供給マニホールド130bと、発電部800bと重なるアノード側多孔体840とを連通する。一つの燃料ガス排出流路640は、燃料ガス排出マニホールド140と、発電部800aと重なるアノード側多孔体840とを連通し、もう一つの燃料ガス排出流路640は、燃料ガス排出マニホールド140と、発電部800bと重なるアノード側多孔体840とを連通する。
One fuel
複数の酸化ガス供給流路650の一部は、酸化ガス供給マニホールド110a〜110cと、発電部800aと重なるカソード側多孔体850とを連通する。複数の酸化ガス供給流路650の他の一部は、酸化ガス供給マニホールド110d〜110fと、発電部800bと重なるカソード側多孔体850とを連通する。酸化ガス排出流路660の一部は、酸化ガス排出マニホールド120a〜120cと、発電部800aと重なるカソード側多孔体850とを連通し、他の一部は、酸化ガス排出マニホールド120a〜120cと、発電部800bと重なるカソード側多孔体850とを連通する。
Part of the plurality of oxidizing
次に、図5〜図6を参照して、セパレータ600の構成を説明する。セパレータ600は、アノードプレート300と、カソードプレート400と、中間プレート500から構成されている。
Next, the configuration of the
図6(A)〜(C)は、実施例におけるアノードプレート300(図6(A))、カソードプレート400(図6(B))、中間プレート500(図6(C))の形状をそれぞれ示す説明図である。各プレート300、400、500およびセパレータ600に破線で示す2つ領域DAa、DAbは、それぞれ発電部800a、800bと重なりあう領域を示す。
6A to 6C show the shapes of the anode plate 300 (FIG. 6A), the cathode plate 400 (FIG. 6B), and the intermediate plate 500 (FIG. 6C) in the embodiment. It is explanatory drawing shown. Two regions DAa and DAb indicated by broken lines in each of the
アノードプレート300およびカソードプレート400には、図1における各マニホールド110a〜160bに対応して、プレートを厚さ方向に貫通するマニホールド形成部が形成されている。
In the
中間プレート500は、図1に示す反応ガス(酸化ガスまたは燃料ガス)を供給/排出のためのマニホールド110a〜140に対応して、中間プレート500を厚さ方向に貫通するマニホールド形成部が形成されている。
The
中間プレート500は、さらに、複数の冷却媒体流路形成部550を備えている。各冷却媒体流路形成部550は、発電部800aおよび800bを図3における左右方向に横断する長孔形状を有しており、その両端は、発電部800aおよび800bの外側に至っている。冷却媒体流路形成部550は、発電部800aおよび800bの全体に亘って配置されても良い。
The
図5には、上述した各プレート300、400、500を用いて作製されたセパレータ600の正面図が示されている。セパレータ600は、中間プレート500をアノードプレート300およびカソードプレート400で挟持するように中間プレート500の両側にそれぞれ接合し、中間プレート500における冷却媒体供給マニホールド150a、150bおよび冷却媒体排出マニホールド160a、160bに対応する領域に露出している部分を打ち抜いて作製される。3枚のプレートの接合方法は、例えば、熱圧着、ろう付け、溶接などが用いられ得る。この結果、図5においてハッチングで示すように、燃料電池100を構成する際に図1に示す各マニホールドを形成するための貫通部と、複数の冷却媒体流路670とを備えたセパレータ600が得られる。冷却媒体流路670は、セパレータ600の内部を面方向に通る内部流路であり、一端が冷却媒体供給マニホールド150aまたは150bに連通し、他端が冷却媒体排出マニホールド160aまたは160bに連通する。
FIG. 5 shows a front view of a
セパレータ600において、酸化ガス排出マニホールド120a〜120cは、発電部800aと発電部800bとの間に配置されている。マニホールド孔のうち、上述した3つの酸化ガス排出マニホールド120a〜120c以外のマニホールドは、セパレータ600の外周縁に沿って、形成されている。具体的には、3つの酸化ガス供給マニホールド110a〜110cは、セパレータ600の図5における上側の辺に沿って配置されている。これらの酸化ガス供給マニホールド110a〜110cは、発電部800aに対して、それぞれ酸化ガス排出マニホールド120a〜120cと反対側に位置している。他の3つの酸化ガス供給マニホールド110d〜110fは、セパレータ600の図5における下側(Y軸正方向側)の辺に沿って配置されている。これらの酸化ガス供給マニホールド110d〜110fは、発電部800bに対して、それぞれ酸化ガス排出マニホールド120a〜120cと反対側に位置している。
In the
2つの冷却媒体供給マニホールド150a、150bは、セパレータ600の図5における左側の辺に沿って配置されている。このうち、冷却媒体供給マニホールド150aは、発電部800aの左側の辺に沿って、当該辺の略全長に亘って、形成されている。冷却媒体供給マニホールド150bは、発電部800aの左側の辺に沿って、当該辺の略全長に亘って、形成されている。
The two cooling
2つの冷却媒体排出マニホールド160a、160bは、セパレータ600の図5における右側の辺に沿って配置されている。このうち、冷却媒体排出マニホールド160aは、発電部800aの右側の辺に沿って、当該辺の略全長に亘って、形成されている。冷却媒体排出マニホールド160bは、発電部800bの右側の辺に沿って、当該辺の略全長に亘って、形成されている。
The two cooling
2つの燃料ガス供給マニホールド130aおよび130bは、セパレータ600の図5における左上の角および左下の角にそれぞれ配置されている。燃料ガス排出マニホールド140は、セパレータ600の図5における右側の辺の中央部に、冷却媒体排出マニホールド160aと冷却媒体排出マニホールド160bとの間に挟まれて配置されている。
The two fuel
・燃料電池の動作
図7および図8を参照して、実施例に係る燃料電池100の動作について説明する。図7は、酸化ガスの流れを示す説明図である。図8は、冷却媒体の流れを示す説明図である。図を見やすくするため、図7および図8においては、1つの膜電極接合体200と膜電極接合体200の両側に配置されたセパレータ600および多孔体840、850のみを図示している。図7(A)は、上側の半分が図3におけるA−A断面に対応する断面図を示し、下側の半分が図3におけるC−C断面に対応する断面を示している。図7(B)は、図3におけるD−D断面に対応する断面図を示している。図8は、左側の半分が図5におけるE−E断面に対応する断面図を示し、右側の半分が図5におけるF−F断面に対応する断面図を示している。
-Operation | movement of fuel cell With reference to FIG. 7 and FIG. 8, operation | movement of the fuel cell 100 which concerns on an Example is demonstrated. FIG. 7 is an explanatory diagram showing the flow of the oxidizing gas. FIG. 8 is an explanatory diagram showing the flow of the cooling medium. 7 and 8, only one
燃料電池100は、酸化ガス供給マニホールド110a〜110fに酸化ガスが供給されると共に、燃料ガス供給マニホールド130a、130bに燃料ガスが供給されることにより、発電を行う。また、発電中の燃料電池100には、発電に伴う発熱による燃料電池100の温度上昇を抑制するために、冷却媒体供給マニホールド150a、150bに冷却媒体が供給される。
The fuel cell 100 generates power by supplying oxidizing gas to the oxidizing
3つの酸化ガス供給マニホールド110a〜110cに供給された酸化ガスは、図7(A)において矢印で示すように、酸化ガス供給流路650を通って、発電部800aと重なるカソード側多孔体850に供給される。当該カソード側多孔体850に供給された酸化ガスは、酸化ガスの流路として機能するカソード側多孔体850の内部を図3における上方から下方に向かって流動する。そして、酸化ガスは、カソード側多孔体850から酸化ガス排出流路660に流入し、酸化ガス排出流路660を通って、酸化ガス排出マニホールド120a〜120bへ排出される。他の3つの酸化ガス供給マニホールド110d〜110fに供給された酸化ガスは、図7(B)において矢印で示すように、酸化ガス供給流路650を通って、発電部800bと重なるカソード側多孔体850に供給される。当該カソード側多孔体850に供給された酸化ガスは、酸化ガスの流路として機能するカソード側多孔体850の内部を図3における下方から上方に向かって流動する。そして、酸化ガスは、カソード側多孔体850から酸化ガス排出流路660に流入し、酸化ガス排出流路660を通って、酸化ガス排出マニホールド120a〜120bへ排出される。発電部800aおよび800bのいずれにおいても、カソード側多孔体850を流動する酸化ガスの一部は、カソード側多孔体850に当接しているカソード側拡散層830の全体に亘って拡散し、カソード反応(例えば、2H++2e-+(1/2)O2→H2O)に供される。
The oxidant gas supplied to the three oxidant
断面の図示は省略するが、燃料ガス供給マニホールド130aおよび130bに供給された燃料ガスは、酸化ガスと同様に、燃料ガス供給流路630を通って、発電部800aおよび800bと重なるアノード側多孔体840にそれぞれ供給される。当該アノード側多孔体840に供給された燃料ガスは、燃料ガスの流路として機能するアノード側多孔体840の内部を流動する。そして、燃料ガスは、アノード側多孔体840から燃料ガス排出流路640に流入し、燃料ガス排出流路640を通って、燃料ガス排出マニホールド140に排出される。アノード側多孔体840を流動する燃料ガスの一部は、アノード側多孔体840に当接しているアノード側拡散層820の全体に亘って拡散し、アノード反応(例えば、H2→2H++2e-)に供される。
Although illustration of the cross section is omitted, the fuel gas supplied to the fuel
冷却媒体供給マニホールド150aおよび150bに供給された冷却媒体は、冷却媒体流路670に供給される。冷却媒体流路670に供給された冷却媒体は、冷却媒体流路670の一端から他端まで流動し、冷却媒体排出マニホールド160aおよび160bに排出される。冷却媒体は、主として発電部800aおよび800b近傍を流動している間に、上述した膜電極接合体200の発電部800aおよび800bの熱を吸収することにより燃料電池を冷却する。
The cooling medium supplied to the cooling
以上説明した本実施例によれば、燃料電池における発電部800aおよび800bと、非発電部700(例えば、酸化ガス排出マニホールド120a〜120cの内部および周辺)との温度差を小さくすることができる。図9は、燃料電池の発電中における温度分布を示す説明図である。図9に示すグラフは、セパレータ600の温度を、図5に示す線G−G上の位置Yごとに示したものである。線M1は発電開始から時間M1が経過した時点での温度分布を、線M2は発電開始から時間M2が経過した時点での温度分布を、それぞれ示す(M2>M1)。発電開始から時間が経過するにつれ、反応熱により発電部800aおよび発電部800bの温度が上昇していくのが解る。その結果、発電部800aおよび発電部800bと、非発電部700のうちの外周縁部(例えば、酸化ガス供給マニホールド110a〜110fが形成されている領域)との温度差が大きくなっていく。しかしながら、非発電部700のうちの酸化ガス排出マニホールド120a〜120cが形成されている部分は、温度が比較的高くなる。これは、1)酸化ガス排出マニホールド120a〜120cが形成されている部分は、温度の高い2つの発電部800aおよび800bに挟まれていること、2)酸化ガス排出マニホールド120a〜120cが形成されている部分は、Y軸方向の略中央部に位置しており外部と接していないため、外部への放熱が少ない、ためである。このように燃料電池における発電部800a、800bと、非発電部700のうちの酸化ガス排出マニホールド120a〜120cの内部および周辺との温度差が小さくなることが解る。
According to the present embodiment described above, the temperature difference between the
また、本実施例では、酸化ガス排出マニホールド120a〜120cを長孔形状とし、長孔形状の長手方向の2辺のうち、一の側に沿って一つの発電部800aが隣り合い、他の側に沿ってもう一つの発電部800bが隣り合うように構成されている。この結果、酸化ガス排出マニホールド120a〜120cの全体が温度の高い発電部800a、800bに比較的近くなる。この結果、燃料電池における発電部800a、800bと、酸化ガス排出マニホールド120a〜120cの内部および周辺との温度差をより小さくすることができる。
Further, in this embodiment, the oxidizing
この結果、酸化ガスに含まれる水分(生成水など)が酸化ガス排出マニホールド120a〜120cにおいて急激に冷やされることにより発生する凝縮・結露を抑制することができる。凝縮・結露した水分は、酸化ガスの円滑な流動を妨げるため、発電性能の低下を引き起こす。
As a result, it is possible to suppress condensation / condensation that occurs when moisture (product water or the like) contained in the oxidizing gas is rapidly cooled in the oxidizing
特に、燃料電池の外気温が低い(例えば、氷点下)場合には、発電部800a、800bと、酸化ガス排出マニホールド120a〜120cの内部との温度差が大きくなりやすいため効果が大きい。また、燃料電池100の小型化の要請のため、セパレータ600の厚さを薄くすることが望まれるが、セパレータ600が薄くなると、面方向の熱伝導性が悪化する。このため、セパレータ600が薄い場合ほど、発電体と積層方向に重なる部分と、酸化ガス排出マニホールド120a、120b内部との温度差が大きくなりやすいため効果が大きい。
In particular, when the outside temperature of the fuel cell is low (for example, below freezing point), the temperature difference between the
また、酸化ガス排出マニホールド120a〜120cは、矩形の発電部800aの一の長辺の略全長に亘って設けられ、酸化ガス供給マニホールド110a〜110cは、発電部800aの他の長辺の略全長に亘って設けられている。この結果、酸化ガス供給マニホールド110a〜110cから酸化ガス排出マニホールド120a〜120cへと流動する酸化ガスは、発電部800aの全域に亘ってより均等に分配される。同様にして酸化ガス排出マニホールド120a〜120cは、矩形の発電部800bの一の長辺の略全長に亘って設けられ、酸化ガス供給マニホールド110d〜110fは、発電部800bの他の長辺の略全長に亘って設けられている。この結果、酸化ガス供給マニホールド110d〜110fから酸化ガス排出マニホールド120a〜120cへと流動する酸化ガスは、発電部800bの全域に亘ってより均等に分配される。
The oxidizing
一方で、燃料ガス供給マニホールド130a、130bおよび燃料ガス排出マニホールド140は、酸化ガスのためのマニホールドと比較して小さく、発電部800a、800bの全長に亘って形成されてはいない。燃料ガスである水素は、酸化ガスである空気中における酸素と比較して拡散速度が速い(拡散速度は、拡散係数および濃度勾配に主として依存する。水素は拡散係数が酸素の約4倍である。また、燃料ガスは、純水素(水素濃度約100%)を用いるのに対し、酸化ガスは空気(酸素濃度約20%)を用いる。このため、酸化ガス中の酸素の拡散速度は、燃料ガス中の水素と比較してかなり低いことがわかる。)。このため、発電部800a、800bの一辺の一部から燃料ガスを供給すれば、十分に電池反応に必要な水素が供給可能であるからである。言い換えれば、燃料電池の電気化学反応は、酸素分子の拡散速度が遅いため、一般的に、カソード極の3相界面における反応(2H++2e-(1/2)O2→H2O)に律速される。従って、酸化ガスの供給性を重視した流路配置とすることが、より電池性能の向上に繋がる。
On the other hand, the fuel
B.変形例:
上記実施例では、酸化ガス排出マニホールド120a〜120cを2つの発電部800a、800bで挟む構成とし、酸化ガス排出マニホールド120a〜120cをセパレータ600における図5のY軸方向の中央部に配置する構成としているが、他の構成としても良い。例えば、円形の発電部の中心付近に酸化ガス排出マニホールドを設ける構成としても良い。一般的に言えば、発電部は、少なくとも酸化ガス排出マニホールドの一の側に位置する部分と、酸化ガス排出マニホールド孔の一の側の反対側に位置する部分を含むことが好ましい。また、酸化ガス排出マニホールドは、セパレータの面に沿った方向(積層方向と垂直な方向)のうちの少なくとも一つの方向について、セパレータの略中央部に位置することが好ましい。
B. Variation:
In the above embodiment, the oxidizing
上記実施例では、発電部800a、800bの各部材やセパレータ600の各部材の材料を特定しているが、これらの材料に限定されるものではなく、適正な種々の材料を用いることができる。例えば、アノード側多孔体840およびカソード側多孔体850を、金属多孔体を用いて形成するとしているが、例えばカーボン多孔体といった他の材料を用いて形成することも可能である。また、セパレータ600は、金属を用いて形成するとしているが、例えばカーボンといった他の材料を用いることも可能である。
In the said Example, although the material of each member of the electric
上記実施例では、セパレータ600は3層の金属板を積層した構成であり、その発電部800a、800bに対応する部分が平坦な形状であるとしているが、これに代えて他の任意の形状とすることが可能である。具体的には、発電部に対応する表面に溝状の反応ガス流路が形成されたセパレータ(例えば、カーボンで作製される)を採用しても良いし、発電部に対応する部分に反応ガス流路として機能する波板形状を有するセパレータ(例えば、金属板をプレス成形して作製される)を採用しても良い。
In the above embodiment, the
また、上記実施例では、アノード側多孔体840およびカソード側多孔体850を備えているが、これに限られない。例えば、反応ガス流路が形成されたセパレータや、反応ガス流路として機能する波板形状を有するセパレータを用いる場合には、アノード側およびカソード側多孔体は無くても良い。
Moreover, in the said Example, although the anode side
以上、本発明の実施例および変形例について説明したが、本発明はこれらの実施例および変形例になんら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において種々の態様での実施が可能である。 As mentioned above, although the Example and modification of this invention were demonstrated, this invention is not limited to these Example and modification at all, and implementation in a various aspect is possible within the range which does not deviate from the summary. It is.
100…燃料電池
110a〜110f…酸化ガス供給マニホールド
120a〜120c…酸化ガス排出マニホールド
130a、130b…燃料ガス供給マニホールド
140…燃料ガス排出マニホールド
150a、150b…冷却媒体供給マニホールド
160a、160b…冷却媒体排出マニホールド
200…発電モジュール
300…アノードプレート
400…カソードプレート
500…中間プレート
600…セパレータ
700…非発電部
800a、820b…発電部
810…発電体
820…アノード側拡散層
830…カソード側拡散層
830…アノード側拡散層
840…アノード側多孔体
850…カソード側多孔体
DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 ...
Claims (5)
酸化ガスを排出するための酸化ガス排出マニホールド孔と、
積層時に前記発電体と積層方向に重なる領域であって、少なくとも前記酸化ガス排出マニホールド孔の一の側に位置する部分と、前記酸化ガス排出マニホールド孔の前記一の側の反対側に位置する部分を含む、発電領域と、
を備えるセパレータ。 A separator that is alternately stacked with a power generation module including a power generation body to constitute a fuel cell,
An oxidizing gas discharge manifold hole for discharging the oxidizing gas;
A region that overlaps with the power generation body in the stacking direction at the time of stacking, at least a portion positioned on one side of the oxidizing gas discharge manifold hole, and a portion positioned on the opposite side of the one side of the oxidizing gas discharge manifold hole Including a power generation area, and
A separator comprising:
酸化ガスを排出するためのマニホールド孔であって、少なくとも一方向について、前記セパレータの略中央部に配置された酸化ガス排出マニホールド孔と、
前記酸化ガス排出マニホールド孔とは異なる位置に配置され、積層時に前記発電体と重なる発電領域と、
を備えるセパレータ。 A separator that is alternately stacked with a power generation module including a power generation body to constitute a fuel cell,
A manifold hole for exhausting the oxidizing gas, the oxidizing gas exhaust manifold hole disposed at a substantially central portion of the separator in at least one direction;
A power generation region that is disposed at a position different from the oxidizing gas discharge manifold hole and overlaps the power generation body when stacked,
A separator comprising:
前記発電領域は、前記酸化ガス排出マニホールド孔の一の側に隣り合う第1の領域と、前記酸化ガス排出マニホールド孔の前記一の側の反対側に隣り合う第2の領域を含む、セパレータ。 The separator according to claim 1 or 2,
The power generation region includes a first region adjacent to one side of the oxidizing gas discharge manifold hole and a second region adjacent to the opposite side of the one side of the oxidizing gas discharge manifold hole.
酸化ガスを供給するためのマニホールド孔であって、前記第1の領域に対して前記酸化ガス排出マニホールド孔と反対側に隣り合う第1の酸化ガス供給マニホールド孔と、
酸化ガスを供給するためのマニホールド孔であって、前記第2の領域に対して前記酸化ガス排出マニホールド孔と反対側に隣り合う第2の酸化ガス供給マニホールド孔と、
を備えるセパレータ。 The separator according to claim 3 further includes:
A manifold hole for supplying an oxidizing gas, the first oxidizing gas supply manifold hole adjacent to the first region opposite to the oxidizing gas discharge manifold hole;
A manifold hole for supplying an oxidant gas, a second oxidant gas supply manifold hole adjacent to the second region opposite to the oxidant gas discharge manifold hole;
A separator comprising:
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