JP2009146859A - Fuel cell and fuel cell stack - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池と、複数の燃料電池を積層した燃料電池スタックに関する。 The present invention relates to a fuel cell and a fuel cell stack in which a plurality of fuel cells are stacked.
燃料電池は、アノード(燃料極)側に燃料ガスを、カソード(酸素極)側に空気をそれぞれ受けて、両ガスに含まれる水素および酸素を利用して電気化学反応を進行することによって起電力を発生する。この電気化学反応に伴ってカソード側では水または水蒸気(以下、「生成水」とも呼ぶ)が発生する。生成水が多くなると、空気のカソードへの供給が阻害される恐れがある。この結果、電気化学反応が円滑に行なわれなくなり、発電能力が低下する。そのため、燃料電池では、種々の方法により、生成水を効率よく排出することが図られている(例えば特許文献1参照)。 A fuel cell receives fuel gas on the anode (fuel electrode) side and air on the cathode (oxygen electrode) side, and proceeds with an electrochemical reaction using hydrogen and oxygen contained in both gases. Is generated. Accompanying this electrochemical reaction, water or water vapor (hereinafter also referred to as “product water”) is generated on the cathode side. When the amount of generated water increases, the supply of air to the cathode may be hindered. As a result, the electrochemical reaction is not performed smoothly, and the power generation capacity is reduced. Therefore, in the fuel cell, it is attempted to efficiently discharge generated water by various methods (see, for example, Patent Document 1).
この種の燃料電池は、電解質膜−電極接合体と、セパレータとを交互に複数積層することにより、燃料電池スタックとして使用されるのが一般的である。自動車等の車載用の燃料電池スタックは、通常、上記の積層方向を水平方向とした横置きにて搭載される。これに対して、車両のフロントボックスへの良好な搭載を目的として、上記積層方向を重力方向とした縦置きの燃料電池スタックも提案されている(特許文献2参照)。 This type of fuel cell is generally used as a fuel cell stack by alternately laminating a plurality of electrolyte membrane-electrode assemblies and separators. In-vehicle fuel cell stacks such as automobiles are usually mounted in a horizontal orientation with the above stacking direction as the horizontal direction. On the other hand, a vertical fuel cell stack in which the stacking direction is the gravitational direction has been proposed for the purpose of satisfactory mounting on a front box of a vehicle (see Patent Document 2).
上記従来の縦置きの燃料電池スタックでは、運転停止時に生成水を効率よく排出することができず、起動時に燃料電池セルの片側のガス流路を閉塞させてしまう虞があった。運転停止時には、発電時に生成された水が重力方向下方に移動し、縦置きによって燃料電池セル内で下方側に位置するガス流路内に上記水が溜まるからであり、その溜まった水で、起動時にその下側に位置するガス流路が閉塞されてしまう。 In the conventional vertical fuel cell stack, the generated water cannot be efficiently discharged when the operation is stopped, and the gas flow path on one side of the fuel cell may be blocked at the time of startup. When the operation is stopped, the water generated at the time of power generation moves downward in the direction of gravity, and the water is stored in the gas flow channel located on the lower side in the fuel cell by vertical installation. At the time of start-up, the gas flow path located on the lower side is blocked.
本発明は、燃料電池の起動時における、生成水によるガス流路の閉塞を防止することを課題とする。 An object of the present invention is to prevent a gas flow path from being blocked by generated water when a fuel cell is started.
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。 SUMMARY An advantage of some aspects of the invention is to solve at least a part of the problems described above, and the invention can be implemented as the following forms or application examples.
[適用例1]
燃料電池であって、
電解質膜を2つの電極で挟持する接合体であって、該接合体の第1の面を下側に、該接合体の第2の面を上側になるよう配設される膜電極接合体と、
前記第1の面と対向し、前記第1の面に沿った方向に第1の反応ガスを流す第1のガス流路を形成する第1のセパレータと、
前記第2の面と対向し、前記第2の面に沿った方向に第2の反応ガスを流す第2のガス流路を形成する第2のセパレータと
を備え、
前記第1のガス流路は、前記第2のガス流路よりも流路断面積が大きくなるよう構成された、燃料電池。
[Application Example 1]
A fuel cell,
A membrane electrode assembly that sandwiches an electrolyte membrane between two electrodes, the membrane electrode assembly being disposed so that the first surface of the assembly is on the lower side and the second surface of the assembly is on the upper side; ,
A first separator facing the first surface and forming a first gas flow path for flowing a first reactive gas in a direction along the first surface;
A second separator facing the second surface and forming a second gas flow path for flowing a second reactive gas in a direction along the second surface;
The fuel cell, wherein the first gas channel is configured to have a channel cross-sectional area larger than that of the second gas channel.
適用例1の燃料電池によれば、膜電極接合体の下方向に、第1のガス流路を形成する第1のセパレータが位置し、膜電極接合体の上方向に、第2のガス流路を形成する第2のセパレータが位置することになる。そして、第1のガス流路は、第2のガス流路よりも流路断面積が大きくなるよう構成されていることから、膜電極接合体の下方向にある第1のガス流路の方が、膜電極接合体の上方向にある第2のガス流路よりも流路断面積が大きくなる。運転停止時には、発電時に生成された水が重力により重力方向下方に移動することになるから、第2の面側の水は電解質膜を透過し第1のガス流路の下方に、第1の面側の水はそのまま第1のガス流路の下方にそれぞれ溜まる。しかしながら、上記のように、膜電極接合体の下方向にある第1のガス流路は流路断面積が大きいことから、生成水により第1のガス流路が完全に閉塞される虞が少ない。したがって、適用例1の燃料電池は、燃料電池の起動時にガス流路を確保することができるという効果を奏する。 According to the fuel cell of Application Example 1, the first separator that forms the first gas flow path is located below the membrane electrode assembly, and the second gas flow is located above the membrane electrode assembly. The second separator forming the path will be located. Since the first gas channel is configured to have a larger channel cross-sectional area than the second gas channel, the first gas channel located in the lower direction of the membrane electrode assembly However, the channel cross-sectional area becomes larger than that of the second gas channel located above the membrane electrode assembly. When the operation is stopped, water generated at the time of power generation moves downward in the direction of gravity due to gravity. Therefore, the water on the second surface side passes through the electrolyte membrane and is below the first gas flow path. The water on the surface side remains as it is below the first gas flow path. However, as described above, since the first gas flow path in the downward direction of the membrane electrode assembly has a large flow path cross-sectional area, there is little possibility that the first gas flow path is completely blocked by the generated water. . Therefore, the fuel cell of Application Example 1 has an effect that a gas flow path can be ensured when the fuel cell is started.
[適用例2]
適用例1に記載の燃料電池であって、前記第1の反応ガスは、酸化剤ガスであり、前記第2の反応ガスは、燃料ガスである、燃料電池。この構成によれば、酸化剤ガスの流れる第1のガス流路の方が、流路断面積が大きいことから、発電中の圧力損失が少なくて済む。一般的に、酸化剤ガスとしては、コンプレッサにより圧縮された空気の供給を受けることから、第1のガス流路で圧力損失が小さいほど発電効率を高めることができる。これに対して、燃料ガスは高圧タンクにより供給されることから、第2のガス流路における圧力損失の大小によって発電効率がそれほど変わることがない。このため、適用例2に記載の燃料電池では、酸化剤ガスの流れる第1のガス流路の圧力損失を低減し、発電効率を高めることができる。
[Application Example 2]
The fuel cell according to Application Example 1, wherein the first reaction gas is an oxidant gas, and the second reaction gas is a fuel gas. According to this configuration, the first gas flow path through which the oxidant gas flows has a larger cross-sectional area of the flow path, so that there is less pressure loss during power generation. In general, the oxidant gas is supplied with air compressed by a compressor, so that the power generation efficiency can be increased as the pressure loss is reduced in the first gas flow path. On the other hand, since the fuel gas is supplied from the high-pressure tank, the power generation efficiency does not change so much depending on the pressure loss in the second gas flow path. For this reason, in the fuel cell described in Application Example 2, it is possible to reduce the pressure loss of the first gas flow path through which the oxidant gas flows, and to increase the power generation efficiency.
[適用例3]
適用例1または2に記載の燃料電池であって、前記第1のガス流路は、多孔体を備える構成である、燃料電池。この構成によれば、第1のガス流路において、多孔体により反応ガスの拡散性を高めることができる。一方、多孔体は、停止の際に生成水の残留量が多いという短所を有するが、適用例1に記載の燃料電池の構成により、例え残水が多くても、起動時におけるガス流路を確保することができる。
[Application Example 3]
The fuel cell according to Application Example 1 or 2, wherein the first gas flow path includes a porous body. According to this configuration, the diffusibility of the reaction gas can be enhanced by the porous body in the first gas flow path. On the other hand, the porous body has a disadvantage that the amount of generated water is large at the time of stoppage. However, due to the configuration of the fuel cell described in Application Example 1, even if there is a large amount of residual water, the gas flow path at the time of startup is reduced. Can be secured.
[適用例4]
適用例3に記載の燃料電池であって、前記多孔体は、親水性を有する、燃料電池。この構成によれば、多孔体が親水性を有することから、第1のガス流路におけるセパレータとの壁面に水をより貯溜させることができる。
[Application Example 4]
The fuel cell according to Application Example 3, wherein the porous body has hydrophilicity. According to this configuration, since the porous body has hydrophilicity, water can be further stored on the wall surface of the first gas flow path with the separator.
[適用例5]
適用例3または4に記載の燃料電池であって、前記多孔体に対して、当該多孔体の端面から前記第1の反応ガスの導入出を図る第1のガス導入出部を備える構成である、燃料電池。この構成によれば、多孔体の端面から第1の反応ガスの導入出を図ることができることから、運転停止時に第1のガス流路の重力方向下方側に生成水が溜まったとしても、ガスの導入出口がその重力方向下方側にあるわけでもないので、確実に第1の反応ガスの流路を確保することができる。
[Application Example 5]
5. The fuel cell according to Application Example 3 or 4, wherein the fuel cell includes a first gas introduction / extraction section that introduces / extracts the first reaction gas from an end surface of the porous body. ,Fuel cell. According to this configuration, since the first reaction gas can be introduced / extracted from the end face of the porous body, even if the generated water accumulates on the lower side in the gravity direction of the first gas flow path when the operation is stopped, Therefore, the first reaction gas flow path can be ensured reliably.
[適用例6]
適用例5に記載の燃料電池であって、前記第1のセパレータは、前記多孔体との接合面に設けられ、前記接合面に垂直な方向から前記多孔体に対する前記第1の反応ガスの導入出を図る第2のガス導入出部を備える構成である、燃料電池。この構成によれば、第1のセパレータに備えられた第2のガス導入出部と多孔体との間が連結することから、毛細管現象により多孔体部から生成水を良好に排出することができる。
[Application Example 6]
The fuel cell according to Application Example 5, wherein the first separator is provided on a joint surface with the porous body, and the first reaction gas is introduced into the porous body from a direction perpendicular to the joint surface. A fuel cell, comprising a second gas introduction / extraction part that attempts to exit. According to this configuration, since the second gas inlet / outlet part provided in the first separator is connected to the porous body, the generated water can be favorably discharged from the porous body part by capillary action. .
[適用例7]
適用例1ないし6のいずれかに記載の燃料電池を単セルとして複数積層した燃料電池スタック。こうした構成の燃料電池スタックでは、複数の燃料電池が上下方向に複数積層された構成となる。この構成によっても、適用例1の燃料電池と同様に、燃料電池スタックの起動時にガス流路を確保することができるという効果を奏する。
[Application Example 7]
A fuel cell stack in which a plurality of fuel cells according to any one of Application Examples 1 to 6 are stacked as a single cell. In the fuel cell stack having such a configuration, a plurality of fuel cells are stacked in the vertical direction. Also with this configuration, as in the fuel cell of Application Example 1, the gas flow path can be secured when the fuel cell stack is started.
次に、本発明の実施の形態を実施例に基づいて説明する。
A.第1実施例:
A−1.燃料電池スタックの構成:
図1は、本発明の第1実施例における燃料電池スタック100の構成を示す説明図である。燃料電池スタック100は、後述する燃料電池セルの積層体110と、積層体110を積層方向の両端から挟持する一対のエンドプレート120、130と、一対のエンドプレート120、130による挟持を実現するために一対のエンドプレート120、130を締結する4組のボルト141及びナット142とを備えている。燃料電池スタック100には、積層体110にアノードガス(水素を含有する燃料ガス)やカソードガス(酸化剤ガス)等を供給あるいは排出するための複数の貫通孔であるマニホールド孔M1〜M6が形成されている。マニホールド孔M1〜M6を介して図示しない外部の水素タンクやコンプレッサ等から、積層体110の内部にアノードガスやカソードガスが滞りなく供給されている。
Next, embodiments of the present invention will be described based on examples.
A. First embodiment:
A-1. Fuel cell stack configuration:
FIG. 1 is an explanatory diagram showing the configuration of a fuel cell stack 100 according to the first embodiment of the present invention. The fuel cell stack 100 realizes clamping by a pair of
図1の座標系は、燃料電池スタック100が自動車等の車両に搭載される際に想定されている各方向を表している。上下方向は車両の上下方向を示し、前後方向と左右方向とは、それぞれ車両の前後方向と左右方向とを示している。なお、前後方向と左右方向はこの方向に限る必要はなく、例えば、前後方向を右左方向に、左右方向を前後方向に換えることもできる。上下方向についてはこの方向に限る。すなわち、車両において、燃料電池スタック100は、燃料電池セルの積層方向を上下方向とするように縦置きに搭載されている。ここで、上下方向とは、好ましくは重力方向であるが、必ずしも重力方向である必要はなく、水平方向よりも上側方向、水平方向よりも下側方向であればよい。 The coordinate system of FIG. 1 represents each direction assumed when the fuel cell stack 100 is mounted on a vehicle such as an automobile. The up-down direction indicates the up-down direction of the vehicle, and the front-rear direction and the left-right direction indicate the front-rear direction and the left-right direction of the vehicle, respectively. Note that the front-rear direction and the left-right direction need not be limited to this direction. For example, the front-rear direction can be changed to the right-left direction, and the left-right direction can be changed to the front-rear direction. The vertical direction is limited to this direction. That is, in the vehicle, the fuel cell stack 100 is mounted vertically so that the stacking direction of the fuel cells is the vertical direction. Here, the vertical direction is preferably the gravitational direction, but is not necessarily the gravitational direction, and may be any direction above the horizontal direction and below the horizontal direction.
A−2.燃料電池セルの構成:
図2は、燃料電池セル10の断面を模式的に示す説明図である。燃料電池セル10は、燃料電池スタック100の積層体110を構成する単セルとしての燃料電池である。図示するように、燃料電池セル10は、MEA14(Membrane Electrode Assembly)、ガス拡散層13a、13b、ガス流路18、19およびセパレータ30を備える。ガス拡散層13a、13bはMEA14の両面に配置されている。MEA14、ガス拡散層13aおよびガス拡散層13bから構成される部材をMEGA15と呼ぶ。ガス流路18、19は、MEGA15とセパレータ30との間に配置されている。
A-2. Fuel cell configuration:
FIG. 2 is an explanatory diagram schematically showing a cross section of the fuel battery cell 10. The fuel cell 10 is a fuel cell as a single cell constituting the
MEA14は、電解質膜11の表面上に、カソード電極触媒層12a,アノード電極触媒層12bを備える。電解質膜11は、プロトン伝導性を備え、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す固体高分子材料の薄膜であり、セパレータ30の外形よりも小さく後述するガス流路18,19の外形よりも大きい長方形に形成されている。電解質膜11は、例えば、ナフィオンである。電解質膜11の表面上に形成されたカソード電極触媒層12a,アノード電極触媒層12bは、電気化学反応を促進する触媒、例えば、白金が担持されている。
The MEA 14 includes a cathode
ガス拡散層13a,13bは、気孔率が約80%程度のカーボン製の多孔体であり、例えば、カーボンクロスやカーボンペーパによって形成されている。ガス拡散層13a,13bは、接合によりMEA14と一体化されてMEGA15となる。カソード電極触媒層12aとガス拡散層13a、およびアノード電極触媒層12bとガス拡散層13bは、本発明の「電極」にそれぞれ相当する。MEGA15は、本発明の「膜電極接合体」に相当する。なお、ガス拡散層13aはMEA14のカソード側に、ガス拡散層13bはアノード側に、それぞれ配置される。ガス拡散層13aは、カソードガスをその厚み方向に拡散して、カソード電極触媒層12aの全面に供給する。ガス拡散層13bは、アノードガスをその厚み方向に拡散して、アノード電極触媒層12bの全面に供給する。ガス拡散層13a,13bは、厚み方向へのガスの拡散を主目的とするため、比較的小さい気孔率を有する。
The gas diffusion layers 13a and 13b are carbon porous bodies having a porosity of about 80%, and are formed of, for example, carbon cloth or carbon paper. The gas diffusion layers 13a and 13b are integrated with the MEA 14 by bonding to form the
図1の座標系は、図1に対応したもので、上下方向は車両の上下方向を示している。すなわち、MEA14のカソード側の面14Aは車両の下側を向き、MEA14のアノード側の面14Aは車両の上側を向いている。カソード側の面14Aは本発明の「第1の面」に相当し、アノード側の面14Bは本発明の「第2の面」に相当する。
The coordinate system in FIG. 1 corresponds to FIG. 1, and the vertical direction indicates the vertical direction of the vehicle. That is, the
セパレータ30は、ステンレス鋼やチタン,チタン合金など、導電性の金属材料から構成されており、本実施例では長方形の板形状をしている。セパレータ30は、MEA14のカソード側の面14Aと対向することにより、この面14Aに沿った方向にカソードガスを流すガス流路(以下、必要に応じて「カソードガス流路」とも呼ぶ)18を形成している。また、セパレータ30は、MEA14のアノードの面14Bと対向することにより、この面14Bに沿った方向にアノードガスを流すガス流路(以下、必要に応じて「アノードガス流路」とも呼ぶ)19を形成している。上記カソードガス流路18は本発明の「第1のガス流路」に相当し、上記アノードガス流路19は本発明の「第2のガス流路」に相当する。
The
カソードガス流路18の高さ(積層方向の高さ)、すなわち、MEGA15の第1の面14Aとセパレータ30との間の距離t1は、アノードガス流路19の高さ(積層方向の高さ)、すなわち、MEGA15の第2の面14Bとセパレータ30との間の距離t2と比較して大きくなっている。すなわち、カソードガス流路18は、アノードガス流路19よりも流路断面積が大きくなっている。なお、上記距離t1は例えば0.4[mm]であり、上記距離t2は例えば0.2[mm]である。上記距離t1、t2は、記述した数値に限定されるわけではなく、カソードガス流路18の流路断面積がアノードガス流路19の流路断面積よりも大きいという条件を満たせば、いずれの大きさとすることもできる。
The height of the cathode gas channel 18 (height in the stacking direction), that is, the distance t1 between the
ガス流路18,19の内部には、多孔体部21,22が配設されている。多孔体部21,22は、多孔体を用いて構成される。多孔体としては、本実施例では発泡焼結体が用いられている。発泡焼結体は、金属またはセラミックス含有の発泡焼結体を用いる。なお、発泡焼結体に換えて、エキスパンドメタル等としてもよい。多孔体部21,22によりカソードガス、アノードガスの拡散性を高めることができる。
カソードガス流路18に備えられる多孔体部21は、親水処理を施すことで、親水性を有するものとすることができる。親水処理の方法としては特に限定されるものではなく、公知の親水処理法を適宜採用できる。例えば、アルミナ,シリカ等の金属酸化物、水溶性エポキシ樹脂等の親水性樹脂、または活性炭等の親水性物質を、多孔質部用の粉末原料に配合すればよい。さらには、親水処理として金メッキ処理を行ってもよい。
The
なお、本実施例においては、アノード側の多孔体部22には親水処理を施さない構成となっている。これに換えて、多孔体部22は親水処理を施す構成としてもよい。また本実施例においては、図示するように、多孔体部21,22の接合面の大きさは、MEGA15の第1の面14A、第2の面14Bと同一となっているが、これに換えて、第1の面14A、第2の面14Bよりも小さい面積としてもよい。換言すれば、多孔体部21,22は、本実施例のように、ガス流路18,19の全体に亘って設けられた構成であってもよいし、これに換えて、ガス流路18,19の一部に設けられた構成としてもよい。
In the present embodiment, the
セパレータ30のカソード側表面には、ガス流路18へのカソードガスの出入口となる穴部23,24を備える。この穴部23,24は、図示しない流路により最終的には、図1に示したマニホールド孔M1〜M6のうちのカソードガス用のものと連通している。一方、セパレータ30のアノード側表面には、ガス流路19へのアノードガスの出入口となる穴部25,26を備える。この穴部25,26は、図示しない流路により最終的には、図1に示したマニホールド孔M1〜M6のうちのアノードドガス用のものと連通している。なお、カソード側の穴部23,24およびアノード側の穴部25,26は、積層方向に沿って見たときにMEGA15と重ならない部位に設けられている。
On the cathode side surface of the
上記構成により、カソード側の穴部23からはカソードガスが排出され、矢印Aに示すように、カソードガスは、多孔体部21の第1の端面21aの外側空間から第1の端面21aに向かって進む。アノードガスは、多孔体部21を通って、その後、矢印Bに示すように、多孔体部21の第2の端面(第1の端面21aに対向する端面)21bから出て、カソード側の穴部24に侵入する。こうして、多孔体部21に対して端面21a、21bから(すなわち、端面21a、21bに垂直な方向から)カソードガスを導入/導出することができる。同様に、アノード側では、穴部25,26により、多孔体部22に対して端面22a,22bから(すなわち、端面22a,22bに垂直な方向から)アノードガスを導入/導出することができる。
With the above configuration, the cathode gas is discharged from the
図1で示した燃料電池スタック100の積層体110は、前述したように、上記燃料電池セル10を上下方向に複数積層したものである。すなわち、セパレータ30−カソードガス流路18―MEGA15−アノードガス流路19−セパレータ30と接合し、これを繰り返していくことで燃料電池スタック100は構成されている。なお、セパレータ30は、本発明でいう「第1のセパレータ」および「第2のセパレータ」に相当する。穴部23,24は、本発明でいう「第1のガス導入出部」である。
As described above, the
A−3.作用効果:
以上のように構成された本実施例の燃料電池スタック100によれば、MEGA15の下方向にカソードガス流路18が位置し、MEGA15の上方向にアノードガス流路19が位置することになる。そして、MEGA15の下方向にあるカソードガス流路18は、MEGA15の上方向にあるアノードガス流路19よりも流路断面積が大きくなっている。運転停止時には、発電時に生成された水が重力により重力方向下方に移動することになるから、MEA14の第2の面14B側の水Wu(図2参照)は電解質膜を透過しカソードガス流路18の下方に、MEA14の第1の面14A側の水はそのままカソードガス流路18の下方にそれぞれ溜まる。図2におけるWはその溜まった水である。しかしながら、燃料電池スタック100では、上記のように、MEGA15の下方向にあるカソードガス流路18は流路断面積が大きいことから、貯溜された水Wによりカソードガス流路18が完全に閉塞される虞が少ない。したがって、本実施例の燃料電池スタック100は、起動時にガス流路を確保することができるという効果を奏する。寒冷期において上記水Wが凍結したような場合にも、ガス流路を確保することができる。
A-3. Effect:
According to the fuel cell stack 100 of the present embodiment configured as described above, the cathode
また、本実施例の燃料電池スタック100では、カソードガス流路18に備えられる多孔体部21が親水性を有する構成であることから、アノードガス流路19におけるセパレータ30との壁面に水Wをより貯溜させることができる。このため、起動時にガス流路をより確保することができる。
Further, in the fuel cell stack 100 of this embodiment, since the
さらに、本実施例によれば、カソードガス(酸化剤ガス)の流れるカソードガス流路18の方が、流路断面積が大きいことから、発電中の圧力損失が少なくて済む。カソードガスとしては、コンプレッサにより圧縮された空気の供給を受けているが、カソードガス流路18で圧力損失が小さいほど発電効率を高めることができる。これに対して、アノードガス(燃料ガス)は高圧タンク(図示せず)により供給されることから、アノードガス流路19における圧力損失の大小によって発電効率がそれほど変わることがない。このため、本実施例の燃料電池スタック100では、カソードガスの流れるカソードガス流路18の圧力損失を低減し、発電効率を高めることができる。
Furthermore, according to the present embodiment, the cathode
B.第2実施例:
図3は、本発明の第2実施例における燃料電池スタックに備えられる燃料電池セル210の断面を模式的に示す説明図である。この図は、第1実施例における図2の単セル分に相当するものである。図示するように、この燃料電池セル210は、第1実施例の燃料電池セル10と比較して、下記の1)および2)の点で相違する。
B. Second embodiment:
FIG. 3 is an explanatory view schematically showing a cross section of the fuel cell 210 provided in the fuel cell stack according to the second embodiment of the present invention. This figure corresponds to the single cell of FIG. 2 in the first embodiment. As shown in the figure, the fuel cell 210 is different from the fuel cell 10 of the first embodiment in the following points 1) and 2).
1)セパレータ30のカソード側表面に、カソードガス流路18へのカソードガスの出入口となる1組の穴部(以下、「内側穴部」と呼ぶ)223,224をさらに備えた点。
2)セパレータ30のアノード側表面に設けた穴部25,26を取り除いて、アノードガス流路19へのカソードガスの出入口となる1組の穴部(以下、「内側穴部」と呼ぶ)225,226を設けた点。
1) The
2) A pair of hole portions (hereinafter referred to as “inner hole portions”) 225 that serve as cathode gas inlet / outlet ports to the anode
上記1)、2)以外の構成については、第1実施例の燃料電池セル10と同一である。なお、同一のパーツには、第1実施例と同じ番号を付けた。なお、本実施例の燃料電池セル210も、第1実施例の燃料電池セル10と同様に、上下方向に複数積層されて燃料電池スタックを構成している。 The configuration other than the above 1) and 2) is the same as that of the fuel cell 10 of the first embodiment. In addition, the same number was attached to the same part as 1st Example. In addition, the fuel cell 210 of the present embodiment is also stacked in the vertical direction in the same manner as the fuel cell 10 of the first embodiment to constitute a fuel cell stack.
上記カソード側の内側穴部223,224およびアノード側の内側穴部225,226は、第1実施例でも備えているカソード側の穴部23,24よりも内側(セパレータ30の表面における内側)に設けられるもので、積層方向に沿って見たときにMEGA15と重なる部位に設けられている。カソード側の内側穴部223,224は、図示しない流路により最終的には、図1に示したマニホールド孔M1〜M6のうちのカソードガス用のものと連通している。アノード側の内側穴部225,226は、図示しない流路により最終的には、図1に示したマニホールド孔M1〜M6のうちのアノードガス用のものと連通している。
The cathode-side
こうした構成により、セパレータ30と多孔体部21,22との間の接合面30a、30bに垂直な方向から多孔体部21,22に対してカソードガス/アノードガスを導入/導出することができる。なお、カソード側の内側穴部223,224と多孔体部21との間は連結し、アノード側の内側穴部225,226と多孔体部22との間は連結していることから、毛細管現象により多孔体部21,22から生成水を良好に排出することができる。
With such a configuration, the cathode gas / anode gas can be introduced into / derived from the
以上のように構成された第2実施例によれば、カソードガス流路18に備えられた多孔体部21に対して、穴部23,24により端面21a,21bから、内側穴部223,224により接合面30aに垂直な方向から、それぞれカソードガスを導入/導出することができる。すなわち、多孔体部21に対して、端面21a,21bに垂直な方向と、接合面30aに垂直な方向との両方から、カソードガスの導入出を図ることができる。また、アノードガス流路19に備えられた多孔体部22に対して、内側穴部225,226により接合面30bに垂直な方向からカソードガスを導入/導出することができる。
According to the second embodiment configured as described above, with respect to the
したがって、第2実施例によれば、第1実施例と同様に、起動時にガス流路を確保することができる。さらに、前述したように、内側穴部223,224および内側穴部225,226による毛細管現象により多孔体部21,22から生成水を良好に排出することができ、それにもかかわらず、運転停止時にカソードガス流路18に重力方向下方に溜まった水Wが、内側穴部223,224を例え閉塞したとしても、穴部23,24により、ガス流路を確保することができる。換言すれば、多孔体部21,22から毛細管現象により生成水を良好に排出することができことと、運転停止時に生成水がガス流路に貯溜されたとしても起動時にガス流路を確実に確保することとの両立を図ることができる。なお、内側穴部223,224は、本発明でいう「第2のガス導入出部」である。
Therefore, according to the second embodiment, as in the first embodiment, the gas flow path can be secured at startup. Furthermore, as described above, the generated water can be discharged well from the
C.変形例:
なお、この発明は上記の各実施例や変形例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で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。
C. Variations:
The present invention is not limited to the above-described embodiments and modifications, and can be carried out in various modes without departing from the gist thereof. For example, the following modifications are possible.
(1)上記第1実施例では、セパレータ30の面30a、30bの双方に(すなわち、カソード側、アノード側の双方に)、穴部23,24、25,26を設けていたが、アノード側の穴部25,26についてはこの構成に限る必要はなく、多孔体部22にアノードガスを導入できる構成であれば、どのような構成としてもよい。また、カソード側の穴部23,24については、多孔体部21の端面21a,21bからカソードガスの導入出を図ることができれば、他の構成に換えてもよく、例えば、セパレータ30以外の部分からガスを導入出する構成としてもよい。なお、第2の実施例においても、カソード側の穴部23,24については、多孔体部21の端面21a,21bからカソードガスの導入出を図ることができれば、他の構成に換えてもよく、例えば、セパレータ30以外の部分からガスを導入出する構成としてもよい。また、第2の実施例の構成から、カソード側の穴部23,24を取り除いた構成としてもよい。
(1) In the first embodiment, the
(2)上記各実施例では、MEA14のカソード側の面14Aは車両の下側を向き、MEA14のアノード側の面14Aは車両の上側を向いているが、これに換えて、MEA14のカソード側の面14Aは車両の上側を向き、MEA14のアノード側の面14Aは車両の下側を向くよう構成してもよい。この場合には、アノードガス流路に備えられた多孔体に対してアノードガスを、少なくとも端面から導入/導出するようにするのが好ましい。
(2) In each of the above embodiments, the
(3)上記各実施例では、カソード側の多孔体部21は親水性を有する構成としたが、これに換えて、親水性を有しない構成としてもよい。また、各実施例では、カソードガス流路18,アノードガス流路19の双方に多孔体部21,22を備える構成としたが、これに換えて、カソードガス流路18,アノードガス流路19のいずれか一方に多孔体部を備える構成としてもよいし、また、双方ともに多孔体部を備えない構成としてもよい。
(3) In each of the above-described embodiments, the cathode-side
(4)上記各実施例では、複数の燃料電池セルが積層された燃料電池スタックとしての構成であったが、これに換えて、1つの燃料電池セルだけで構成した燃料電池としての構成としてもよい。 (4) In each of the above-described embodiments, the configuration is a fuel cell stack in which a plurality of fuel cells are stacked. Alternatively, a configuration as a fuel cell including only one fuel cell may be used. Good.
(5)前記各実施例では、「第1のセパレータ」および「第2のセパレータ」は、1つのセパレータ30により共通する構成としたが、これに換えて個別の構成としてもよい。また、セパレータ30は板形状としていたが、これに換えて、ストレート溝を構成する直線状のリブや、立方体等の凸部を複数備えるセパレータとしてもよい。この場合にも、セパレータにより形成されるカソードガス流路およびアノードガス流路は、下側に位置するガス流路の流路断面積が上側に位置するガス流路の流路断面積よりも大きいという条件を満たすように構成される。
(5) In each of the above-described embodiments, the “first separator” and the “second separator” are configured to be shared by one
(6)前記各実施例では、燃料電池は固体高分子型燃料電池としたが、必ずしも固体高分子型燃料電池である必要がなく、各種タイプの燃料電池に適用することも可能である。 (6) In each of the above embodiments, the fuel cell is a solid polymer fuel cell. However, the fuel cell is not necessarily a solid polymer fuel cell, and can be applied to various types of fuel cells.
(7)前記各実施例では、燃料電池スタックは自動車等の車両に搭載されるものとしていたが、これに換えて、電車等の自動車以外の車両に搭載されるものとしてもよい。また、車両にも限る必要はなく、船舶の他の移動体としてもよい。 (7) In each of the embodiments described above, the fuel cell stack is mounted on a vehicle such as an automobile, but instead, it may be mounted on a vehicle other than an automobile such as a train. Moreover, it is not necessary to restrict to a vehicle, It is good also as another mobile body of a ship.
10…燃料電池セル
11…電解質膜
12a…カソード電極触媒層
12b…アノード電極触媒層
13a…ガス拡散層
13b…ガス拡散層
14A…第1の面
14B…第2の面
18…カソードガス流路
19…アノードガス流路
21,22…多孔体部
23,24…穴部
25,26…穴部
30…セパレータ
100…燃料電池スタック
110…積層体
120…エンドプレート
141…ボルト
142…ナット
210…燃料電池セル
223,224…内側穴部
225,226…内側穴部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Fuel cell 11 ...
Claims (7)
電解質膜を2つの電極で挟持する接合体であって、該接合体の第1の面を下側に、該接合体の第2の面を上側になるよう配設される膜電極接合体と、
前記第1の面と対向し、前記第1の面に沿った方向に第1の反応ガスを流す第1のガス流路を形成する第1のセパレータと、
前記第2の面と対向し、前記第2の面に沿った方向に第2の反応ガスを流す第2のガス流路を形成する第2のセパレータと
を備え、
前記第1のガス流路は、前記第2のガス流路よりも流路断面積が大きくなるよう構成された、燃料電池。 A fuel cell,
A membrane electrode assembly that sandwiches an electrolyte membrane between two electrodes, the membrane electrode assembly being disposed so that the first surface of the assembly is on the lower side and the second surface of the assembly is on the upper side; ,
A first separator facing the first surface and forming a first gas flow path for flowing a first reactive gas in a direction along the first surface;
A second separator facing the second surface and forming a second gas flow path for flowing a second reactive gas in a direction along the second surface;
The fuel cell, wherein the first gas channel is configured to have a channel cross-sectional area larger than that of the second gas channel.
前記第1の反応ガスは、酸化剤ガスであり、
前記第2の反応ガスは、燃料ガスである、燃料電池。 The fuel cell according to claim 1,
The first reaction gas is an oxidant gas;
The fuel cell, wherein the second reaction gas is a fuel gas.
前記第1のガス流路は、多孔体を備える構成である、燃料電池。 The fuel cell according to claim 1 or 2,
The first gas channel is a fuel cell having a porous body.
前記多孔体は、親水性を有する、燃料電池。 The fuel cell according to claim 3, wherein
The porous body is a fuel cell having hydrophilicity.
前記多孔体に対して、当該多孔体の端面から前記第1の反応ガスの導入出を図る第1のガス導入出部を備える構成である、燃料電池。 The fuel cell according to claim 3 or 4, wherein
A fuel cell comprising a first gas introduction / extraction section for introducing the first reaction gas from an end face of the porous body to the porous body.
前記第1のセパレータは、
前記多孔体との接合面に設けられ、前記接合面に垂直な方向から前記多孔体に対する前記第1の反応ガスの導入出を図る第2のガス導入出部を備える構成である、燃料電池。 The fuel cell according to claim 5, wherein
The first separator is
A fuel cell, comprising: a second gas introduction / extraction part that is provided on a joint surface with the porous body and that introduces / extracts the first reaction gas to / from the porous body from a direction perpendicular to the joint surface.
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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JP2011204501A (en) * | 2010-03-26 | 2011-10-13 | Honda Motor Co Ltd | Fuel cell system |
JP7380431B2 (en) | 2020-06-02 | 2023-11-15 | トヨタ自動車株式会社 | fuel cell system |
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- 2007-12-18 JP JP2007325856A patent/JP2009146859A/en active Pending
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