JP2009266727A - Fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池に係り、特に、生成水の滞留によるフラッティングを効果的に抑止でき、しかもセルの平面積を小さくしてスタックのコンパクト化を図ることのできる燃料電池に関するものである。 The present invention relates to a fuel cell, and more particularly, to a fuel cell that can effectively suppress fluttering due to stagnation of product water, and that can reduce the flat area of a cell and make the stack compact.
固体高分子型燃料電池の単セルは、イオン透過性の電解質膜と、該電解質膜を挟持するアノード側電極層およびカソード側電極層とからなる膜電極接合体(MEA:Membrane Electrode Assembly)、もしくは、該電極層をガス拡散層(GDL)で挟持してなる膜電極接合体(MEGA:Membrane Electrode & Gas Diffusion Layer Assembly)と、該膜電極接合体に燃料ガスもしくは酸化剤ガスを提供するとともに電気化学反応によって生じた電気を集電するためのガス流路層およびセパレータを少なくとも備えている。なお、セパレータがガス流路層の作用をも兼ね備えたセル構造も従来一般に知られるところである。燃料電池スタックは、所要電力に応じてこの単セルを所定数だけ積層することによって形成されている。 A single cell of a polymer electrolyte fuel cell includes a membrane electrode assembly (MEA) comprising an ion permeable electrolyte membrane and an anode electrode layer and a cathode electrode layer sandwiching the electrolyte membrane, or A membrane electrode assembly (MEGA: Membrane Electrode & Gas Diffusion Layer Assembly) formed by sandwiching the electrode layer with a gas diffusion layer (GDL), and supplying fuel gas or oxidant gas to the membrane electrode assembly and electric At least a gas flow path layer and a separator for collecting electricity generated by a chemical reaction are provided. A cell structure in which the separator also functions as a gas flow path layer is generally known. The fuel cell stack is formed by stacking a predetermined number of single cells according to required power.
上記する燃料電池では、アノード電極に燃料ガスとして水素ガス等が提供され、カソード電極には酸化剤ガスとして酸素や空気が提供され、各電極では固有のガス流路層にて面内方向にガスが流れ、次いでガス拡散層にて拡散されたガスが電極触媒に導かれて電気化学反応がおこなわれるものである。 In the fuel cell described above, hydrogen gas or the like is provided as a fuel gas to the anode electrode, oxygen or air is provided as the oxidant gas to the cathode electrode, and each electrode has a gas flow layer in its in-plane direction. Then, the gas diffused in the gas diffusion layer is led to the electrode catalyst to cause an electrochemical reaction.
ところで、上記する単セルでは、図7に示すように、平面視が矩形(正方形を含む)の膜電極接合体C(MEGA)の平面積に比してセパレータおよびガス流路層Gのそれを広くとり(セパレータおよびガス流路層Gは、中央の集電部G1とこの外周の枠部G2からなる)、セパレータおよびガス流路層Gを構成する枠部G2の隅角四隅にはスタック形成時に締結ボルトが貫通するための貫通孔G3、…が開設されている(したがって膜電極接合体Cからなる電極部、ガス流路層やセパレータの集電部G1には貫通孔が存在しない)。 By the way, in the single cell described above, as shown in FIG. 7, the separator and the gas flow path layer G are compared with the plane area of the membrane electrode assembly C (MEGA) having a rectangular (including square) plan view. Widely separated (the separator and the gas flow path layer G are composed of a central current collecting part G1 and an outer peripheral frame part G2), and stacks are formed at the four corners of the frame part G2 constituting the separator and the gas flow path layer G. Through holes G3,... Are sometimes opened for the fastening bolts to pass therethrough (therefore, there are no through holes in the electrode portion made of the membrane electrode assembly C, the gas flow path layer, or the current collecting portion G1 of the separator).
なお、平面視矩形の一組の端辺近傍の一方には、酸化剤ガスや燃料ガスをガス流路層に供給するための供給マニホールドG4aが、他方には、ガス流路層内を流れたガスを排気するための排気マニホールドG4bが、それぞれ開設されている。図示する構造の単セルAを組み付け、組み付けられた所定数の単セルを図8のごとく積層し、最外側にエンドプレート、テンションプレートを配し、両端のテンションプレート間に押圧力(圧縮力)を加えることにより、定寸構造の燃料電池スタックEが形成される。 A supply manifold G4a for supplying an oxidant gas or a fuel gas to the gas flow path layer is flowed in one of the ends in the vicinity of the set of rectangles in plan view, and the other flows in the gas flow path layer. Exhaust manifolds G4b for exhausting gas are provided respectively. The unit cell A having the structure shown in the figure is assembled, a predetermined number of unit cells assembled are stacked as shown in FIG. 8, an end plate and a tension plate are arranged on the outermost side, and a pressing force (compression force) is provided between the tension plates at both ends. As a result, a fuel cell stack E having a fixed size structure is formed.
単セルAを構成するたとえばカソード側のガス流路層G’内における酸化剤ガスの流れを図9に模擬している。図示のごとく、セパレータからガス流路層G’が分離された、いわゆるフラットタイプモジュールのガス流路層G’では、ガス流路層G’がエキスパンドメタルなどから形成されているため、その面内の全体がガス流路を成している。したがって、供給マニホールドG4aから流入した酸化剤ガスは流動抵抗を受けながらガス流路層G’内を流れ(ガス流れ:F)、排気マニホールドG4bを介して排気される。 For example, the flow of the oxidant gas in the gas flow path layer G ′ on the cathode side constituting the single cell A is simulated in FIG. 9. As shown in the figure, in the gas flow path layer G ′ of a so-called flat type module in which the gas flow path layer G ′ is separated from the separator, the gas flow path layer G ′ is formed of expanded metal or the like. The whole forms a gas flow path. Therefore, the oxidant gas flowing in from the supply manifold G4a flows through the gas flow path layer G 'while receiving flow resistance (gas flow: F), and is exhausted through the exhaust manifold G4b.
図9からも明らかなように、ガス流路層G’においても、集電部G1’の外周の枠部G2’の隅角に貫通孔G3、…が配されており、貫通孔G3を形成するために設けられた枠部G2’があることで、ガス流路層G’の全体面積は大きくならざるを得ない。このことは、燃料電池スタックの平面積を広くしている原因となっており、結果、スタックの体格増を齎すものとなっている。 As is apparent from FIG. 9, also in the gas flow path layer G ′, through holes G3,... Are arranged at the corners of the frame portion G2 ′ on the outer periphery of the current collecting portion G1 ′ to form the through holes G3. Therefore, the entire area of the gas flow path layer G ′ is inevitably increased because of the frame portion G2 ′ provided for this purpose. This is a cause of increasing the plane area of the fuel cell stack, and as a result, increases the size of the stack.
ところで、燃料電池の発電性能を阻害する要因の一つとして、特にカソード側のガス流路層に生成水が滞留してその多孔構造を閉塞する、フラッティングを挙げることができる。このフラッティングが生じてしまうと、その部位では生成水の滞留によって電気化学反応が阻害され、セルの発電性能が低下することになる。特に、ガス流路層においては、酸化剤ガスの供給マニホールド付近では流入する酸化剤ガスのガス流速は比較的速いものの、ガス流路層内を流れて排気マニホールド付近に達したガスの流速は相対的に低速となっており、このガスの流速低下により、ガス流路層内に存在する生成水を排気マニホールドに押し出すに十分な圧力が得られず、結果としてフラッティングに至り易いということが本発明者等によって特定されている。 By the way, as one of the factors impeding the power generation performance of the fuel cell, there can be mentioned flatting in which generated water stays in the gas flow path layer on the cathode side and closes the porous structure. If this flatting occurs, the electrochemical reaction is hindered by the staying of the generated water at the site, and the power generation performance of the cell is lowered. In particular, in the gas flow path layer, the flow rate of the oxidant gas flowing in the vicinity of the oxidant gas supply manifold is relatively fast, but the flow rate of the gas flowing in the gas flow path layer and reaching the vicinity of the exhaust manifold is relatively high. As the gas flow rate decreases, the generated water present in the gas flow path layer cannot be sufficiently pressured to be pushed out to the exhaust manifold, and as a result, flattening is likely to occur. Specified by the inventors.
ところで、上記フラッティングを抑止するために発案された従来技術として特許文献1に開示の燃料電池を挙げることができる。この燃料電池では、ガスの供給マニホールドから排気マニホールド(排水マニホールド)へのガス流路幅を段階的に狭めることでガスの流速を早め、もって排水性を高めるようにしている。
特許文献1に開示の燃料電池によれば、排気(排水)マニホールド側の近傍で低速になりがちなガスの流速を速めることで、特に排気マニホールド付近で生じ易い生成水の滞留を効果的に抑制することができる。しかし、この燃料電池では、生成水の排水効率は高まるものの、上記する課題、すなわち、単セルおよびスタックのコンパクト化を図るまでには至らない。 According to the fuel cell disclosed in Patent Document 1, by increasing the flow rate of gas that tends to be low in the vicinity of the exhaust (drainage) manifold side, it is possible to effectively suppress the retention of generated water that tends to occur particularly in the vicinity of the exhaust manifold. can do. However, in this fuel cell, although the drainage efficiency of the generated water is increased, the above-described problem, that is, the single cell and the stack cannot be made compact.
本発明は、上記する問題に鑑みてなされたものであり、生成水の排水性能を高めることに加えて、単セルおよびスタックのコンパクト化も同時に図ることのできる燃料電池を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above-described problems, and an object thereof is to provide a fuel cell capable of simultaneously reducing the unit cell and the stack in addition to enhancing the drainage performance of generated water. To do.
前記目的を達成すべく、本発明による燃料電池は、電解質膜および電極触媒層をアノード側およびカソード側のガス拡散層が挟持して膜電極接合体を成し、該膜電極接合体をアノード側およびカソード側のガス流路層が挟持し、該ガス流路層をアノード側およびカソード側のセパレータが挟持することで単セルが形成され、複数の該単セルが積層されてスタックが形成されてなる燃料電池において、前記単セルの平面視形状は略矩形となっており、該略矩形の対向する一組の端辺近傍の一方にはガスをガス流路層に供給するための供給マニホールドが形成され、他方にはガス流路層内を通過したガスを排気するための排気マニホールドが形成されており、該単セルには、スタック形成時に単セルを締結材が貫通するための貫通孔が、前記供給マニホールド側と前記排気マニホールド側にそれぞれ開設されており、少なくとも、排気マニホールド側の前記貫通孔が、ガス流路層内を流れるガスの排気マニホールドよりも上流側であって、かつ、ガス流路層における集電領域内に形成されているものである。 In order to achieve the above object, a fuel cell according to the present invention comprises an electrolyte membrane and an electrode catalyst layer sandwiched between an anode side and a cathode side gas diffusion layer to form a membrane electrode assembly, and the membrane electrode assembly is connected to the anode side. A gas cell layer on the cathode side and a gas channel layer on the cathode side are sandwiched, and a single cell is formed by sandwiching the gas channel layer between separators on the anode side and the cathode side, and a stack is formed by stacking the plurality of single cells. In the fuel cell, the unit cell has a substantially rectangular shape in plan view, and a supply manifold for supplying gas to the gas flow path layer is provided at one of the opposing sides of the substantially rectangular pair. An exhaust manifold for exhausting the gas that has passed through the gas flow path layer is formed on the other side, and the single cell has a through hole for a fastening material to pass through the single cell when the stack is formed. The supply The at least one through hole on the exhaust manifold side is upstream of the exhaust manifold for the gas flowing in the gas flow path layer, and the gas flow path layer. Are formed in the current collecting region.
本発明の燃料電池は、ガス流路層がセパレータから分離されたいわゆるフラットタイプモジュールの単セルを具備する燃料電池スタックをその対象としている。 The fuel cell of the present invention is intended for a fuel cell stack including a single cell of a so-called flat type module in which a gas flow path layer is separated from a separator.
この形態の単セル構造では、その平面視が矩形もしくは正方形のガス流路層の対向する一組の端辺近傍に該端辺に沿って延びるマニホールドが開設されており、これがカソード側の場合は、酸化剤ガスをガス流路層に供給する供給マニホールドと、ガス流路層内を流れた酸化剤ガスを排気するための排気マニホールドがそれぞれの端辺近傍に形成されるものであり、アノード側では、同様の構成でガス流路層内を燃料ガスが流れるものである。 In the single-cell structure of this form, a manifold extending along the side of the pair of opposing sides of the gas channel layer having a rectangular or square shape in plan view is opened, and this is the case on the cathode side. The supply manifold for supplying the oxidant gas to the gas flow path layer and the exhaust manifold for exhausting the oxidant gas flowing in the gas flow path layer are formed in the vicinity of the respective ends, and the anode side Then, the fuel gas flows in the gas flow path layer with the same configuration.
特にカソード側では、電気化学反応にて生成水が生成され、この排水が不十分な場合は、ガス流路層内に生成水が滞留し、酸化剤ガスの流れがこの生成水にて阻害されることで発電性能が低下してしまう、フラッティングに至り得る。 Especially on the cathode side, produced water is generated by an electrochemical reaction. If this drainage is insufficient, the produced water stays in the gas flow path layer, and the flow of the oxidant gas is hindered by this produced water. As a result, the power generation performance may be reduced, leading to flatting.
たとえば、このガス流路層は、多孔質構造のエキスパンドメタル(ラスメタルともいう)から形成されるものである。ここで、生成水の排水は、ガス流路層内を流れる酸化剤ガスがそのガス圧によって生成水を排気マニホールドへ押出すことによってなされている。しかし、酸化剤ガスがガス流路層内を流れる過程で受ける流動抵抗(圧力損失)により、この排気マニホールド近傍における酸化剤ガスの流速は供給マニホールド近傍のそれに比して格段に低下しており、その結果、生成水の滞留が生じ易くなっている。 For example, the gas flow path layer is formed from an expanded metal (also referred to as a lath metal) having a porous structure. Here, the generated water is drained by the oxidant gas flowing in the gas flow path layer extruding the generated water to the exhaust manifold by its gas pressure. However, due to the flow resistance (pressure loss) that the oxidant gas receives in the process of flowing through the gas flow path layer, the flow rate of the oxidant gas in the vicinity of the exhaust manifold is significantly lower than that in the vicinity of the supply manifold. As a result, stagnation of generated water is likely to occur.
そこで、本発明の燃料電池では、図9で示すように排気マニホールドの外側に設けられていた締結ボルト挿通用の貫通孔をガス流路層の内部に配置し、より具体的には、排気マニホールドよりもガス流れの上流側の集電部内に該貫通孔を配置した。これにより、排気マニホールドの上流側における酸化剤ガスの流れる幅をより狭くしてガスの流速を速め、より大きなガス圧を生成水に作用させることで効果的に排水をおこなうようにしたものである。 Therefore, in the fuel cell of the present invention, as shown in FIG. 9, the fastening bolt insertion through hole provided outside the exhaust manifold is disposed inside the gas flow path layer, more specifically, the exhaust manifold. The through-hole was disposed in the current collecting part upstream of the gas flow. As a result, the flow width of the oxidant gas on the upstream side of the exhaust manifold is narrowed to increase the gas flow rate, and a larger gas pressure is applied to the generated water to effectively drain water. .
ここで、上記貫通孔が形成される部位は、ガス流路層やセパレータにおいては起電力の集電部に位置するものであり、膜電極接合体(MEGA)においては電極部に相当する。 Here, the part where the through-hole is formed is located in the electromotive force current collecting part in the gas flow path layer and the separator, and corresponds to the electrode part in the membrane electrode assembly (MEGA).
本発明の構成によって奏される上記排水性の向上以外に期待される効果として、単セル、ひいてはこれが積層されてなるスタックの体格をより小さくでき、燃料電池のコンパクト化を実現できることが挙げられる。 In addition to the above-described improvement in drainage that can be achieved by the configuration of the present invention, it is possible to further reduce the size of a single cell, and thus a stack in which the cells are stacked, and to realize a compact fuel cell.
さらに、その他の効果として、燃料電池の発電性能の向上が挙げられる。図9で示す従来構造では、中央の電極部および集電部と、その外周に位置する貫通孔位置、すなわち、締結ボルト位置が離れていることにより、スタック形成時に付与された圧縮力を電極部に十分作用できないという課題も有している。これは、スタックの外郭周辺部位が圧縮力を直接付与される部位であり、したがって付与された圧縮力相当で緊締されている一方で、これから離れた電極部や集電部の中央付近では実際に付与された圧縮力よりも少ない圧縮力しか作用していないことが原因の一つである。このことは、面内均一な圧縮力が電極部に作用していないことをも意味しており、発電性能の低下に直結するものである。 Further, as other effects, improvement of the power generation performance of the fuel cell can be mentioned. In the conventional structure shown in FIG. 9, the central electrode portion and the current collecting portion are separated from the through hole position located on the outer periphery thereof, that is, the fastening bolt position, so that the compression force applied at the time of stack formation is separated from the electrode portion. There is also a problem that it cannot act sufficiently. This is a part where the outer peripheral part of the stack is directly applied with compressive force, and is therefore tightened by the equivalent compressive force, while it is actually in the vicinity of the center of the electrode part and current collector part away from it. One of the causes is that a compressive force less than the applied compressive force is applied. This also means that the in-plane uniform compressive force does not act on the electrode portion, which directly leads to a decrease in power generation performance.
上記課題に対し、本発明の燃料電池のごとく、少なくともカソード側の貫通孔位置(締結ボルト位置)が従来構造の燃料電池に比してより中央側の集電部内に配置されたことにより、スタック形成時に付与される圧縮力により近い圧縮力を電極部に作用させることができ、電極部の面内により均一な圧縮力を作用させることが可能となって発電性能の向上に繋がるものである。 In order to solve the above-mentioned problem, as in the fuel cell of the present invention, at least the cathode side through hole position (fastening bolt position) is arranged in the current collecting portion on the center side as compared with the fuel cell of the conventional structure, thereby A compressive force closer to the compressive force applied at the time of formation can be applied to the electrode portion, and a more uniform compressive force can be applied to the surface of the electrode portion, leading to an improvement in power generation performance.
なお、燃料電池のより一層のコンパクト化を図りたい場合には、排気マニホールド側のみならず、供給マニホールド側の貫通孔位置(締結ボルト位置)も排気マニホールドと同様に配すればよい。すなわち、この場合は、供給マニホールドの下流側であって集電部内もしくは電極部内に貫通孔が配されることになる。 In order to further reduce the size of the fuel cell, not only the exhaust manifold side but also the through-hole position (fastening bolt position) on the supply manifold side may be arranged in the same manner as the exhaust manifold. That is, in this case, a through-hole is arranged in the current collector or the electrode part on the downstream side of the supply manifold.
また、本発明による燃料電池の他の実施の形態は、電解質膜および電極触媒層をアノード側およびカソード側のガス拡散層が挟持して膜電極接合体を成し、該膜電極接合体をアノード側およびカソード側のガス流路層が挟持し、該ガス流路層をアノード側およびカソード側のセパレータが挟持することで単セルが形成され、複数の該単セルが積層されてスタックが形成されてなる燃料電池において、前記単セルの平面視形状は略矩形となっており、該略矩形の対向する一組の端辺近傍の一方にはガスをガス流路層に供給するための供給マニホールドが形成され、他方にはガス流路層内を通過したガスを排気するための排気マニホールドが形成されており、前記排気マニホールドの長さは前記供給マニホールドの長さよりも短くなっており、前記単セルには、スタック形成時に単セルを締結材が貫通するための貫通孔が、前記供給マニホールド側と前記排気マニホールド側にそれぞれ開設されており、前記排気マニホールドの両端側方であって前記供給マニホールドに対向する位置に、排気マニホールド側の前記貫通孔が形成されているものである。 In another embodiment of the fuel cell according to the present invention, the electrolyte membrane and the electrode catalyst layer are sandwiched between the anode-side and cathode-side gas diffusion layers to form a membrane-electrode assembly, and the membrane-electrode assembly is used as the anode. A single cell is formed by sandwiching the gas channel layer on the side and the cathode side, and sandwiching the gas channel layer by the separator on the anode side and the cathode side, and a plurality of the single cells are stacked to form a stack. In the fuel cell, the unit cell has a substantially rectangular shape in plan view, and a supply manifold for supplying a gas to the gas flow path layer is provided at one of the ends of a pair of opposing sides of the substantially rectangular shape. The exhaust manifold for exhausting the gas that has passed through the gas flow path layer is formed on the other side, and the length of the exhaust manifold is shorter than the length of the supply manifold. In the single cell, through holes are formed in the supply manifold side and the exhaust manifold side for allowing the fastening material to pass through the single cell at the time of stack formation. The through hole on the exhaust manifold side is formed at a position facing the manifold.
本実施の形態では、排気マニホールドの長さを供給マニホールドの長さよりも短くしてこれを端辺近傍の中央位置に配置し、その両端の側方位置に貫通孔を配したものである。 In the present embodiment, the length of the exhaust manifold is made shorter than the length of the supply manifold, and the exhaust manifold is arranged at the center position near the end side, and through holes are arranged at the side positions of both ends.
この形態では、供給マニホールドの長さに対して排気マニホールドの長さを短くしたことにより、排気マニホールドの両端側方の貫通孔は、供給マニホールドと対向して配される。なお、この貫通孔の位置を、排気マニホールドの両端の側方位置であって、排気マニホールドよりも上流側とすることにより、単セルの排気マニホールド側の両隅角部をテーパー状に切欠くことも可能となり、燃料電池の一層のコンパクト化を実現することができる。 In this embodiment, the length of the exhaust manifold is shortened relative to the length of the supply manifold, so that the through holes on both sides of the exhaust manifold are arranged to face the supply manifold. The through holes are positioned laterally at both ends of the exhaust manifold and upstream of the exhaust manifold, so that both corners on the exhaust manifold side of the single cell are notched in a tapered shape. It becomes possible, and further downsizing of the fuel cell can be realized.
本実施の形態においても、排気マニホールド自体の長さが短くなったことにより、排気マニホールド近傍における酸化剤ガスのガス流速が従来構造のものに比して格段に速められ、生成水の排水性能を向上させることができる。 Also in the present embodiment, the length of the exhaust manifold itself is shortened, so that the gas flow rate of the oxidant gas in the vicinity of the exhaust manifold is significantly faster than that of the conventional structure, and the drainage performance of the generated water is improved. Can be improved.
上記する本発明の燃料電池によれば、従来構造の燃料電池スタックにおける排気マニホールド側の締結ボルト位置を変更しただけの簡易な構造変更により、さらには、これに加えて排気マニホールドの長さを供給マニホールドに比して短くしただけの構造変更により、生成水の排水性を向上でき、燃料電池スタックのコンパクト化を実現でき、さらには、電極部および集電部にスタック形成時の圧縮力をより効果的に作用させることで発電性能を高めることができる。 According to the fuel cell of the present invention described above, the length of the exhaust manifold is supplied in addition to the simple structural change by simply changing the fastening bolt position on the exhaust manifold side in the fuel cell stack of the conventional structure. By changing the structure to be shorter than that of the manifold, the drainage of the generated water can be improved, the fuel cell stack can be made more compact, and the compression force during stack formation can be further increased in the electrode and current collectors. The power generation performance can be improved by acting effectively.
このような、コンパクトで、排水性に優れ、発電性能に優れた燃料電池は、近時その生産が拡大しており、車載される燃料電池の高性能化が叫ばれている電気自動車やハイブリッド車等に好適である。 Such compact, excellent drainage and power generation performance of fuel cells has recently been expanded, and electric vehicles and hybrid vehicles are being sought to improve the performance of onboard fuel cells. It is suitable for etc.
以上の説明から理解できるように、本発明の燃料電池によれば、締結材の配設位置(もしくは締結材用の貫通孔位置)を変更しただけの簡易な構造変更により、燃料電池のコンパクト化を図ることができ、生成水の排水性と発電性能の双方を高めることができる。 As can be understood from the above description, according to the fuel cell of the present invention, the fuel cell can be made compact by simply changing the structure of the fastening material (or the position of the through hole for the fastening material). Therefore, it is possible to improve both the drainage of generated water and the power generation performance.
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
図1は、本発明の燃料電池スタックを構成する単セルの一実施の形態の分解斜視図である。 FIG. 1 is an exploded perspective view of an embodiment of a single cell constituting the fuel cell stack of the present invention.
図1に示す単セル100の構造は、イオン交換膜である電解質膜とカソード側およびアノード側の電極層からなるMEA1と、これを挟持するカソード側、アノード側のガス拡散層2A,2A’(GDL)と、から形成される膜電極接合体3(MEGA)と、この膜電極接合体3を挟持するカソード側、アノード側のガス流路層4,4’と、このガス流路層4,4’を挟持する3層構造のセパレータ5,5’と、からなり、その周縁に不図示の樹脂製のガスケットが一体に形成されて構成される。
The structure of the
MEA1を構成する電解質膜は、スルホン酸基やカルボニル基を持つフッ素系イオン交換膜、置換フェニレンオキサイドやスルホン化ポリアリールエーテルケトン、スルホン化ポリアリールエーテルスルホン、スルホン化フェニレンスルファイドなどの非フッ素系のポリマーなどからなり、電極層は白金やその合金からなる触媒をカーボン等に担持させた多孔質素材からなる。ガス拡散層2A,2A’はカーボンペーパーやカーボンクロスなどのガス透過性の素材から形成される。また、ガス流路層4,4’はその集電部が多孔質のエキスパンドメタルからなり、不図示のガスケットは、膜電極接合体3を成形型内に収容し、所望の樹脂を成形型内に射出するインサート成形にて形成することができる。 The electrolyte membrane constituting MEA1 is a non-fluorine type such as a fluorinated ion exchange membrane having a sulfonic acid group or a carbonyl group, a substituted phenylene oxide, a sulfonated polyaryletherketone, a sulfonated polyarylethersulfone, or a sulfonated phenylene sulfide. The electrode layer is made of a porous material in which a catalyst made of platinum or an alloy thereof is supported on carbon or the like. The gas diffusion layers 2A and 2A 'are formed from a gas permeable material such as carbon paper or carbon cloth. Further, the gas flow path layers 4 and 4 'are made of a porous expanded metal, and a gasket (not shown) accommodates the membrane electrode assembly 3 in a mold and puts a desired resin in the mold. Can be formed by insert molding.
3層構造のセパレータ5は、隣接する単セルとの間でセル間を画成する面材53と、これに対向するMEGA側の面材51と、これら面材51,53間に介層され、面材51,53の外周輪郭に沿う枠状(無端状)に形成された樹脂素材のスペーサ52と、から構成されている。この面材51,53は、ガス不透過性の緻密なカーボン材や緻密黒鉛材などから形成される。面材51における面材53に対向する側面には、不図示の多数の突起(ディンプル)が備えてあり、この突起がスペーサ52の厚み分の高さを有していることにより、3層構造となった際に、突起の先端が面材53の側面と当接され、乱流状に突起間を流れる冷却水の流路が形成される。
The
図1で示すように、セパレータ5,5’、ガス流路層4,4’、MEGA3は、ともにその平面視形状が矩形もしくは正方形に形成されており、セパレータ5,5’、ガス流路層4,4’においては、それらの供給マニホールド54,43側で側方に張出した耳部58,47が設けられており、この耳部58,47に締結ボルトが貫挿する供給マニホールド側の貫通孔56,45が開設されている。また、セパレータ5,5’、ガス流路層4,4’には、それぞれの排気マニホールド55,44の上流側の集電部59、41に排気マニホールド側の貫通孔57,46が配設されている。さらに、MEGA3には、該貫通孔57,46に対応する位置に貫通孔32が開設されている。
As shown in FIG. 1, the
単セル100を構成する各部材は、それらが組み付けられた際に、それらの供給マニホールド側の貫通孔56,47が同軸:L1上に位置決めされ、それらの排気マニホールド側の貫通孔57,46,32が同軸:L2上に位置決めされ、各貫通孔が連通した連通孔に不図示の締結ボルトが貫挿されるようになっている。
When the members constituting the
図2は、カソード側のガス流路層を平面的に見た図であり、略矩形の枠部42の対向する一組の端辺近傍の一方に、酸化剤ガスをエキスパンドメタル41内に供給する供給マニホールド43が開設されており、その他方に、エキスパンドメタル41内を流れた酸化剤ガスと生成水を排気および排水する排気マニホールド44が開設されている。同図と図9との比較から明らかなように、図2で示すガス流路層4では、排気マニホールド側の貫通孔46,46が、排気マニホールド44の上流側であってエキスパンドメタルからなる集電部41内に配置されたことにより、図9で示す従来のガス流路層に比してその平面積が格段に小さくなり、コンパクト化が図られている。
FIG. 2 is a plan view of the gas flow path layer on the cathode side, and an oxidant gas is supplied into the expanded
図2で示すように、排気マニホールド側の貫通孔46が排気マニホールド44のガス流れの上流側の集電部41内に配置されたことにより、上記するコンパクト化のほかに、排気マニホールド44近傍に流れる酸化剤ガスの流速を速めることにも繋がる。
As shown in FIG. 2, the through
このことを図3を基に説明すると、供給マニホールド43からエキスパンドメタル41内に流入してきた酸化剤ガスは、排気マニホールド44に向ってエキスパンドメタル41内を拡散しながら流動する。エキスパンドメタルは、メタル板を連続的にせん断加工することにより、たとえば断面が六角形の孔が連続し、かつこの連続する孔が交互にずらされた状態の多孔構造を呈しており、その面内に流動抵抗の異なる2方向性を有している。通常は、供給マニホールド43から排気マニホールド44へ向う方向が流動抵抗の大きな方向となるようにエキスパンドメタルが配され、酸化剤ガスの拡散流動を促進するようにしている。
This will be described with reference to FIG. 3. The oxidant gas flowing into the expanded
供給マニホールド43から集電部41内を流れる酸化剤ガス(図中のガス流れ:F1)は、エキスパンドメタルによる流動抵抗によって排気マニホールド44に向ってその流速が除々に低下していくが、排気マニホールド44の上流側に貫通孔46,46(実際には、この貫通孔46に不図示の締結ボルトが位置している)が存在することにより、この貫通孔46(および不図示の締結ボルト)にてガスの流れ方向が中央側に変更され(ガス流れ:F2)、この付近での流路幅が狭められることでガスの流速が速められる。
The flow rate of the oxidant gas (gas flow in the figure: F1 in the figure) flowing from the
特にカソード側のガス流路層4においては、一般に、その排気マニホールド近傍で電気化学反応にて生成された生成水が滞留し易くなっているが、この付近でのガスの流速が速められることにより、生成水を排気マニホールド44に押出すガス圧が大きくなり、生成水の排水性が向上する。
In particular, in the gas flow path layer 4 on the cathode side, in general, the generated water generated by the electrochemical reaction tends to stay in the vicinity of the exhaust manifold, but the gas flow rate in this vicinity is increased. The gas pressure for extruding the produced water to the
図1で示す各構成部材が一体とされ、一体とされた単セル100が所望の発電量に応じた基数だけ積層され、最外縁にエンドプレート200、テンションプレート300が配され、連通する各貫通孔に締結ボルトB,…が貫挿され、所望の圧縮力が各単セル100に付与されて、図4で示すような燃料電池スタック1000が形成される。
Each component shown in FIG. 1 is united,
電気自動車等に車載される燃料電池システムは、この燃料電池と、水素ガスや空気を収容する各種タンク、これらのガスを燃料電池に提供するためのブロア、燃料電池を冷却するためのラジエータ、燃料電池で生成された電力を蓄電するバッテリ、この電力で駆動する駆動モータ等から大略構成されるものである。 A fuel cell system mounted on an electric vehicle or the like includes this fuel cell, various tanks for storing hydrogen gas and air, a blower for supplying these gases to the fuel cell, a radiator for cooling the fuel cell, a fuel The battery is generally composed of a battery that stores electric power generated by the battery, a drive motor that is driven by the electric power, and the like.
図5,6は、カソード側のガス流路層の他の実施の形態を説明したものである。なお、図示を省略するが、たとえば図5で示すガス流路層を具備する単セルは、該ガス流路層の形状に応じたセパレータを有するものであり、これらガス流路層およびセパレータの形状に応じた燃料電池スタックが形成されるものであることは言うまでもない。 5 and 6 illustrate another embodiment of the gas channel layer on the cathode side. Although not shown, for example, the single cell having the gas flow path layer shown in FIG. 5 has a separator corresponding to the shape of the gas flow path layer, and the shape of the gas flow path layer and the separator. It goes without saying that a fuel cell stack corresponding to the above is formed.
図5で示すガス流路層4Aは、排気マニホールド44Aの長さが供給マニホールド43の長さよりも短くなっており、該排気マニホールド44Aの両端の側方でこれよりも上流側に排気マニホールド側の貫通孔46が開設されたものである。
In the gas
図示例では、貫通孔46を回避するような形状の集電部41Aが設けてあり、さらには、図示位置に貫通孔46が開設されたことにより、余分なスペースとなった枠部42Aの排気マニホールド側の隅角部をテーパー状に切欠いてテーパー部48としたものである。
In the illustrated example, a
テーパー部48を設けたことで、ガス流路層の平面積をより一層小さくでき、単セルおよび燃料電池スタックの一層のコンパクト化を図ることができる。また、このガス流路層4Aにおいても、排気マニホールド44Aの上流側にて中央側へ流れ方向が変更されるガス流れ:F2が励起され、ガス流速を速めて排水性を向上させることができる。なお、この形態では、同図からも明らかなように、中央側へ絞られたガス流れの幅と同幅の排気マニホールド44Aとなっており、スタックの長手方向へ延びる連通孔での排水性も向上させることができる。
By providing the tapered
さらに、図6で示すガス流路層4Bは、排気マニホールド側のみならず、供給マニホールド側の貫通孔45,45も集電部41内に配置するものであり、上記する耳部が省略された枠部42Bを有することで、より一層小さな平面積のガス拡散層が形成され、燃料電池スタックの一層のコンパクト化を図ることができる。
Further, the gas
このガス流路層4Bにおいても、排気マニホールド44の上流側にてガス流れ:F2が励起され、上記するガス流路層4,4Aと同様にガスの流速を速めることができる。
Also in the gas
上記するガス流路層4,4A,4Bを有し、それらに形成された排気マニホールド側の貫通孔に対応する位置に貫通孔を有するセパレータ、膜電極接合体を備えた単セルが積層された燃料電池スタックによれば、少なくとも排気マニホールド側の締結ボルト用貫通孔を該排気マニホールドの上流側に配しただけの簡易な構造変更により、排水性能の向上と、燃料電池スタックのコンパクト化を図ることができる。さらに、締結ボルトの一部が単セルの中央側に配置されたことにより、スタック形成時の圧縮力を電極部により効果的に付与することが可能となり、電極部への面内均一な圧縮力の付与を実現でき、燃料電池の発電性能の向上に繋がる。 A single cell having the gas flow path layers 4, 4 </ b> A, 4 </ b> B described above and having a through-hole at a position corresponding to the through-hole on the exhaust manifold side formed thereon and a membrane electrode assembly was laminated. According to the fuel cell stack, the drainage performance can be improved and the fuel cell stack can be made compact by a simple structural change in which at least the through hole for the fastening bolt on the exhaust manifold side is arranged on the upstream side of the exhaust manifold. Can do. Further, since a part of the fastening bolt is arranged on the center side of the single cell, it becomes possible to effectively apply the compressive force at the time of stack formation to the electrode part, and the in-plane uniform compressive force to the electrode part. Can be achieved, leading to an improvement in the power generation performance of the fuel cell.
以上、本発明の実施の形態を図面を用いて詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。 The embodiment of the present invention has been described in detail with reference to the drawings. However, the specific configuration is not limited to this embodiment, and there are design changes and the like without departing from the gist of the present invention. They are also included in the present invention.
1…MEA、2A,2A’…第1のガス拡散層(GDL)、3…膜電極接合体(MEGA)、4,4’,4A,4B,…ガス流路層、5,5’…セパレータ、51…面材、52…スペーサ、53…面材、41…集電部(エキスパンドメタル)、42…枠材、43…供給マニホールド、44,44A…排気マニホールド、45…供給マニホールド側の貫通孔、46…排気マニホールド側の貫通孔、100…単セル、1000…燃料電池スタック、B…締結ボルト DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... MEA, 2A, 2A '... 1st gas diffusion layer (GDL), 3 ... Membrane electrode assembly (MEGA), 4, 4', 4A, 4B, ... Gas flow path layer, 5, 5 '... Separator , 51 ... Face material, 52 ... Spacer, 53 ... Face material, 41 ... Current collector (expanded metal), 42 ... Frame material, 43 ... Supply manifold, 44, 44A ... Exhaust manifold, 45 ... Through hole on the supply manifold side , 46: Exhaust manifold side through hole, 100: Single cell, 1000: Fuel cell stack, B: Fastening bolt
Claims (2)
前記単セルの平面視形状は略矩形となっており、該略矩形の対向する一組の端辺近傍の一方にはガスをガス流路層に供給するための供給マニホールドが形成され、他方にはガス流路層内を通過したガスを排気するための排気マニホールドが形成されており、
該単セルには、スタック形成時に単セルを締結材が貫通するための貫通孔が、前記供給マニホールド側と前記排気マニホールド側にそれぞれ開設されており、
少なくとも、排気マニホールド側の前記貫通孔が、ガス流路層内を流れるガスの排気マニホールドよりも上流側であって、かつ、ガス流路層における集電領域内に形成されている、燃料電池。 The electrolyte membrane and the electrode catalyst layer are sandwiched between the anode-side and cathode-side gas diffusion layers to form a membrane-electrode assembly, and the membrane-electrode assembly is sandwiched between the anode-side and cathode-side gas flow path layers. In a fuel cell in which a single cell is formed by sandwiching a flow path layer between separators on an anode side and a cathode side, and a stack is formed by stacking a plurality of the single cells.
The shape of the single cell in plan view is substantially rectangular, and a supply manifold for supplying gas to the gas flow path layer is formed on one side of a pair of opposing sides of the substantially rectangular shape, and on the other side. Is formed with an exhaust manifold for exhausting the gas that has passed through the gas flow path layer,
In the single cell, through holes are formed on the supply manifold side and the exhaust manifold side, respectively, through which the fastening material penetrates the single cell during stack formation.
The fuel cell, wherein at least the through hole on the exhaust manifold side is formed upstream of an exhaust manifold of gas flowing in the gas flow path layer and in a current collecting region in the gas flow path layer.
前記単セルの平面視形状は略矩形となっており、該略矩形の対向する一組の端辺近傍の一方にはガスをガス流路層に供給するための供給マニホールドが形成され、他方にはガス流路層内を通過したガスを排気するための排気マニホールドが形成されており、
前記排気マニホールドの長さは前記供給マニホールドの長さよりも短くなっており、
前記単セルには、スタック形成時に単セルを締結材が貫通するための貫通孔が、前記供給マニホールド側と前記排気マニホールド側にそれぞれ開設されており、
前記排気マニホールドの両端側方であって前記供給マニホールドに対向する位置に、排気マニホールド側の前記貫通孔が形成されている、燃料電池。 The electrolyte membrane and the electrode catalyst layer are sandwiched between the anode-side and cathode-side gas diffusion layers to form a membrane-electrode assembly, and the membrane-electrode assembly is sandwiched between the anode-side and cathode-side gas flow path layers. In a fuel cell in which a single cell is formed by sandwiching a separator on the anode side and the cathode side of the flow path layer, and a stack is formed by stacking a plurality of the single cells.
The shape of the single cell in plan view is substantially rectangular, and a supply manifold for supplying gas to the gas flow path layer is formed on one side of a pair of opposing sides of the substantially rectangular shape, and on the other side. Is formed with an exhaust manifold for exhausting the gas that has passed through the gas flow path layer,
The length of the exhaust manifold is shorter than the length of the supply manifold,
In the single cell, through holes are formed on the supply manifold side and the exhaust manifold side, respectively, through which the fastening material penetrates the single cell during stack formation.
The fuel cell, wherein the through-holes on the exhaust manifold side are formed at positions opposite to the supply manifold on both sides of the exhaust manifold.
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