JP2010113926A - Fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池に関し、特に、深さが一定ではない流路を有する燃料電池に関する。 The present invention relates to a fuel cell, and more particularly, to a fuel cell having a channel whose depth is not constant.
燃料電池は、電解質層(以下において、「電解質膜」という。)と、電解質膜の両面側にそれぞれ配設される電極(アノード触媒層及びカソード触媒層)とを備える膜電極構造体(以下において、「MEA」ということがある。)で電気化学反応を起こし、当該電気化学反応により発生した電気エネルギーを外部に取り出す装置である。燃料電池の中でも、家庭用コージェネレーション・システムや自動車等に使用される固体高分子型燃料電池(以下において、「PEFC」ということがある。)は、低温領域で運転することができる。このPEFCは、高いエネルギー変換効率を示し、起動時間が短く、かつシステムが小型軽量であることから、電気自動車の動力源や携帯用電源として注目されている。 A fuel cell includes a membrane electrode structure (hereinafter referred to as an “electrolyte membrane”) and electrodes (an anode catalyst layer and a cathode catalyst layer) disposed on both sides of the electrolyte membrane. , And may be referred to as “MEA”), and an electric energy generated by the electrochemical reaction is taken out to the outside. Among fuel cells, a polymer electrolyte fuel cell (hereinafter sometimes referred to as “PEFC”) used in a home cogeneration system, an automobile, or the like can be operated in a low temperature region. This PEFC has been attracting attention as a power source and portable power source for electric vehicles because of its high energy conversion efficiency, short start-up time, and small and light system.
PEFCのセルは、MEAと、当該MEAを狭持する一対の集電体(セパレータ)と、を備え、その理論起電力は1.23Vである。しかしながら、かかる低起電力では電気自動車等の動力源として不十分であるため、通常は、セルを積層したセル積層体の積層方向両端にエンドプレート等を配置して構成されるスタック形態の燃料電池が使用されている。 The PEFC cell includes an MEA and a pair of current collectors (separators) that sandwich the MEA, and has a theoretical electromotive force of 1.23V. However, since such a low electromotive force is insufficient as a power source for an electric vehicle or the like, it is usually a stack type fuel cell configured by disposing end plates or the like at both ends in a stacking direction of a cell stack in which cells are stacked. Is used.
一方、PEFCのMEAには、含水状態に保たれることによりプロトン伝導性能を発現するプロトン伝導性ポリマーが含有される。PEFCの運転時には、アノードに水素含有ガス(以下において、「水素」という。)が、カソードに酸素含有ガス(以下において、「空気」という。)が、それぞれ供給される。アノードへと供給された水素は、アノード触媒層に含まれる触媒の作用下でプロトンと電子に分離し、水素から生じたプロトンは、アノード触媒層及び電解質膜を通ってカソード触媒層へと達する。一方、電子は、外部回路を通ってカソード触媒層へと達し、かかる過程を経ることにより、電気エネルギーを取り出すことが可能になる。そして、カソード触媒層へと達したプロトン及び電子と、カソード触媒層へと供給された空気に含有されている酸素とが反応することにより、水が生成される。 On the other hand, the PEFC MEA contains a proton conducting polymer that exhibits proton conducting performance by being kept in a water-containing state. During operation of PEFC, a hydrogen-containing gas (hereinafter referred to as “hydrogen”) is supplied to the anode, and an oxygen-containing gas (hereinafter referred to as “air”) is supplied to the cathode. The hydrogen supplied to the anode is separated into protons and electrons under the action of the catalyst contained in the anode catalyst layer, and the protons generated from the hydrogen reach the cathode catalyst layer through the anode catalyst layer and the electrolyte membrane. On the other hand, electrons reach the cathode catalyst layer through an external circuit, and through such a process, electric energy can be extracted. Then, protons and electrons that have reached the cathode catalyst layer react with oxygen contained in the air supplied to the cathode catalyst layer, thereby generating water.
このようなPEFCに関する技術として、例えば、特許文献1には、溝状の流路の長さ方向の一方から他方へ向けて流路断面積が連続的に増加する流路と、連続的に減少する流路とが隣り合うように配置されたセパレータを有する燃料電池が開示されている。そして、特許文献1には、流路の幅若しくは流路の深さを変化させることにより、流路の断面積を増加又は減少させる技術が開示されている。また、特許文献2には、流路の入口又は出口が閉塞された複数の閉塞流路を有し、閉塞流路の流路幅を上流領域に比べて下流領域で広くした燃料電池が開示されている。
As a technique related to such PEFC, for example,
特許文献1に開示されている技術によれば、水素又は空気が反応に消費されることにより流路の下流側へ向かうにつれて濃度が低減しても、流路の下流側へ向かうにつれて断面積を連続的に低減させることにより、流路の下流側を流通する水素又は空気の流速を増大させることが可能になるので、燃料電池における発電を効率的に行うことが可能になる。ところが、特許文献1に開示されている技術では、複数のセルを積層する際、その積層方向が鉛直方向であれば、隣り合うセルを構成するそれぞれのセパレータの水平面同士を接触させることによって、セル積層体が構成される。そのため、例えば、燃料電池の外部から、セルの積層方向と交差する方向へと向かう力が付与されると、セル積層体から一又は複数のセルが押し出されやすい。このようにしてセルが押し出されると、MEAが引き裂かれる、MEAに皺が寄る、接触しているセパレータ間の接触面積が低減する等によって、燃料電池の性能が低下しやすい。すなわち、特許文献1に開示されている技術は、セルの積層方向と交差する方向の力の影響を低減させる構成を有していないため、セルの積層方向と交差する方向の力が付与されると、性能が低下しやすいという問題があった。かかる問題は、特許文献1に開示されている技術と特許文献2に開示されている技術とを単に組み合わせたとしても、解決することはできなかった。
According to the technique disclosed in
そこで本発明は、セルの積層方向と交差する方向へと働く力の影響を低減させることが可能な燃料電池を提供することを課題とする。 Then, this invention makes it a subject to provide the fuel cell which can reduce the influence of the force which acts on the direction which cross | intersects the lamination direction of a cell.
上記課題を解決するために、本発明は以下の手段をとる。すなわち、
本発明は、膜電極構造体及び少なくとも該膜電極構造体を含む積層体を狭持する一対のセパレータ、を備えるセル、を複数具備し、一対のセパレータの、膜電極構造体側の面に、膜電極構造体へと供給される反応ガスが流通する複数の流路がそれぞれ備えられるとともに、該複数の流路に、一方から他方へ向かって深さが浅くなる第1流路と、一方から他方へ向かって深さが深くなる第2流路とが備えられ、複数のセルのうち、セパレータ同士が接触する2つのセルを第1セル及び第2セルとし、該第2セルのセパレータと接触する第1セルのセパレータを第1セパレータ、該第1セパレータと接触する第2セルのセパレータを第2セパレータとするとき、第1セパレータに備えられる第1流路の傾斜した底部と第2セパレータに備えられる第2流路の傾斜した底部とが接触し、かつ、第1セパレータに備えられる第2流路の傾斜した底部と第2セパレータに備えられる第1流路の傾斜した底部とが接触することを特徴とする、燃料電池とする。
In order to solve the above problems, the present invention takes the following means. That is,
The present invention includes a plurality of cells each including a membrane electrode structure and a pair of separators that sandwich at least a laminate including the membrane electrode structure, and the membrane on the surface of the pair of separators on the membrane electrode structure side is provided. Each of the plurality of flow paths through which the reaction gas supplied to the electrode structure flows is provided. The plurality of flow paths have a first flow path whose depth decreases from one to the other, and from one to the other. And a second flow path whose depth increases toward the surface, and among the plurality of cells, two cells that are in contact with each other are defined as a first cell and a second cell, and are in contact with the separator of the second cell. When the separator of the first cell is the first separator and the separator of the second cell that is in contact with the first separator is the second separator, the second separator is provided with the inclined bottom portion of the first flow path provided in the first separator. Be The inclined bottom part of the two flow paths is in contact, and the inclined bottom part of the second flow path provided in the first separator and the inclined bottom part of the first flow path provided in the second separator are in contact with each other. And a fuel cell.
ここに、本発明において、「膜電極構造体」とは、電解質膜と、該電解質膜の一方の面に配設されたアノード触媒層と、電解質膜の前記一方の面と反対側の面に配設されたカソード触媒層と、を有するMEAをいう。さらに、本発明において、「少なくとも該膜電極構造体を含む積層体」とは、膜電極構造体からなる積層体、及び、膜電極構造体とその他の構成要素とからなる積層体の両方を含む概念である。「その他の構成要素」としては、MEAの片側又は両側に配置されたガス拡散層や撥水層等、PEFCのセルを構成し得る公知の構成要素を例示することができる。さらに、本発明において、「第1流路」は、換言すると、当該流路を流通する流体の入口から見た時に、出口から入口へ向かって流路の深さが浅くなる流路をいう。さらに、本発明において、「第2流路」とは、換言すると、上記第1流路を流通する流体の入口から見た時に、出口から入口へ向かって流路の深さが深くなる流路をいう。 Here, in the present invention, the “membrane electrode structure” means an electrolyte membrane, an anode catalyst layer disposed on one surface of the electrolyte membrane, and a surface opposite to the one surface of the electrolyte membrane. An MEA having a cathode catalyst layer disposed thereon. Furthermore, in the present invention, “a laminate comprising at least the membrane electrode structure” includes both a laminate comprising a membrane electrode structure and a laminate comprising the membrane electrode structure and other components. It is a concept. Examples of the “other components” include known components that can constitute a PEFC cell, such as a gas diffusion layer and a water repellent layer disposed on one or both sides of the MEA. Furthermore, in the present invention, the “first flow path” refers to a flow path whose depth becomes shallower from the outlet toward the inlet when viewed from the inlet of the fluid flowing through the flow path. Furthermore, in the present invention, the “second flow path” means, in other words, a flow path whose depth increases from the outlet toward the inlet when viewed from the inlet of the fluid flowing through the first flow path. Say.
また、上記本発明において、第1流路及び第2流路が、それぞれ複数備えられ、第1流路及び第2流路が交互に連続して配置されていることが好ましい。 In the present invention, it is preferable that a plurality of first flow paths and second flow paths are provided, and the first flow paths and the second flow paths are alternately and continuously arranged.
ここに、本発明において、「第1流路及び第2流路が交互に連続して配置されている」とは、例えば、任意の第1流路の右側に第2流路が配置され、当該第2流路の右側に第1流路が配置され、当該第1流路の右側に第2流路が配置され、…というように、任意の2つの第1流路の間に1つの第2流路が配置され、かつ、任意の2つの第2流路の間に1つの第1流路が配置されるように、複数の第1流路及び複数の第2流路が配置されていることをいう。 Here, in the present invention, "the first flow path and the second flow path are alternately and continuously disposed" means, for example, that the second flow path is disposed on the right side of any first flow path, A first channel is disposed on the right side of the second channel, a second channel is disposed on the right side of the first channel, and so on. The plurality of first channels and the plurality of second channels are arranged so that the second channel is arranged and one first channel is arranged between any two second channels. It means that
また、上記本発明において、第1セパレータに備えられる第1流路の傾斜した底部と第2セパレータに備えられる第2流路の傾斜した底部とが面接触していることが好ましい。 Moreover, in the said invention, it is preferable that the inclined bottom part of the 1st flow path with which a 1st separator is equipped and the inclined bottom part of the 2nd flow path with which a 2nd separator is equipped are in surface contact.
また、上記本発明において、第1セパレータに備えられる第2流路の傾斜した底部と第2セパレータに備えられる第1流路の傾斜した底部とが面接触していることが好ましい。 Moreover, in the said invention, it is preferable that the inclined bottom part of the 2nd flow path with which a 1st separator is equipped and the inclined bottom part of the 1st flow path with which a 2nd separator is equipped are in surface contact.
また、上記本発明において、第1流路及び第2流路は、流通する反応ガスの入口又は出口が閉塞されていることが好ましい。 In the present invention, the first flow path and the second flow path are preferably closed at the inlet or outlet of the flowing reaction gas.
本発明では、第1セパレータに備えられる第1流路の傾斜した底部と第2セパレータに備えられる第2流路の傾斜した底部とが接触し、かつ、第1セパレータに備えられる第2流路の傾斜した底部と第2セパレータに備えられる第1流路の傾斜した底部とが接触する。ここで、第1流路は底部が一方から他方へ向かって深さが浅くなるように傾斜しているのに対し、第2流路は底部が一方から他方へ向かって深さが深くなるように傾斜している。したがって、かかる構成とすることにより、セルの積層方向と交差する方向へと働く力がセル積層体へ付与された場合であっても、その影響を低減させることができる。そのため、本発明によれば、セルの積層方向と交差する方向へと働く力の影響を低減させることが可能な燃料電池を提供することができる。 In the present invention, the inclined bottom portion of the first flow path provided in the first separator is in contact with the inclined bottom portion of the second flow path provided in the second separator, and the second flow path provided in the first separator. And the inclined bottom of the first flow path provided in the second separator are in contact with each other. Here, the first flow channel is inclined so that the depth becomes shallower from one side to the other, while the second flow channel has a depth that becomes deeper from one side to the other. It is inclined to. Therefore, by adopting such a configuration, even when a force acting in a direction crossing the cell stacking direction is applied to the cell stack, the influence can be reduced. Therefore, according to the present invention, it is possible to provide a fuel cell capable of reducing the influence of the force acting in the direction intersecting the cell stacking direction.
また、本発明において、それぞれ複数備えられる第1流路及び第2流路が交互に連続して配置されることにより、セルの積層方向と交差する方向へと働く力の影響を容易に低減させることができる。 Further, in the present invention, the influence of the force acting in the direction intersecting the cell stacking direction can be easily reduced by alternately arranging the plurality of first and second flow paths that are provided. be able to.
また、本発明において、第1セパレータに備えられる第1流路の傾斜した底部と第2セパレータに備えられる第2流路の傾斜した底部とを面接触させることにより、上記効果に加え、接触抵抗の増大を抑制することが可能になる。 In the present invention, in addition to the above effect, the contact resistance is obtained by bringing the inclined bottom portion of the first flow path provided in the first separator into contact with the inclined bottom portion of the second flow path provided in the second separator. It is possible to suppress the increase of.
また、本発明において、第1セパレータに備えられる第2流路の傾斜した底部と第2セパレータに備えられる第1流路の傾斜した底部とを面接触させることにより、さらに、接触抵抗の増大を抑制することが可能になる。 In the present invention, the contact resistance is further increased by bringing the inclined bottom portion of the second flow path provided in the first separator into contact with the inclined bottom portion of the first flow path provided in the second separator. It becomes possible to suppress.
また、本発明において、流通する反応ガスの入口又は出口が閉塞されている流路(以下において、当該流路を「閉塞流路」ということがある。「閉塞流路」においては、出口を閉塞した流路は入口が開口し、入口を閉塞した流路は出口が開口している。このような構成により、入口から流入したガスはその閉塞流路の出口からは流出することができず、出口が開口している近接した閉塞流路へと移動して流出する。)がセパレータに複数備えられることにより、上記効果に加え、閉塞流路を流通する反応ガスの流速分布の制御を通じてMEAにおける電気化学反応の発生頻度を増大させることが可能になる。それゆえ、かかる形態とすることにより、燃料電池の性能を向上させることが可能になる。 Further, in the present invention, a flow path in which the inlet or outlet of the flowing reaction gas is closed (hereinafter, the flow path may be referred to as a “closed flow path”. In the “closed flow path”, the outlet is closed. In such a flow path, the inlet is open, and the flow path that closes the inlet is the outlet, so that the gas flowing in from the inlet cannot flow out from the outlet of the closed flow path, In addition to the above effects, in addition to the above effect, the separator in the MEA can control the flow velocity distribution of the reaction gas flowing through the closed channel. It becomes possible to increase the frequency of occurrence of electrochemical reactions. Therefore, the fuel cell performance can be improved by adopting such a configuration.
以下、図面を参照しつつ、本発明について説明する。なお、以下に示す形態は本発明の例示であり、本発明は以下に示す形態に限定されるものではない。 The present invention will be described below with reference to the drawings. In addition, the form shown below is an illustration of this invention and this invention is not limited to the form shown below.
図1は、本発明の燃料電池の形態例を示す断面図である。図1では、本発明の燃料電池に備えられるセル10、及び、当該セル10と隣接するセルに備えられるセパレータ(セパレータ7’及びセパレータ8’)を示している。図1の紙面上下方向がセル10の積層方向、及び、反応ガスが流通する流路の深さ方向であり、図1の紙面奥/手前方向が反応ガスの流通方向である。また、図2は、図1からセパレータ7、セパレータ8、セパレータ7’、及び、セパレータ8’のみを抜き出し、間隔を開けて示す図である。図2に示す矢印は、水素の流通方向、及び、空気の流通方向である。図1及び図2において、セパレータ7、セパレータ8、セパレータ7’、並びに、セパレータ8’に備えられている流路の入口及び出口の記載は省略している。
FIG. 1 is a sectional view showing an example of a fuel cell according to the present invention. FIG. 1 shows a
図1に示すように、本発明の燃料電池は、セル10と同様に構成された複数のセルを備えている。セル10は、電解質膜1、電解質膜1の一方の面に形成されたアノード触媒層2、及び、電解質膜1の他方の面(アノード触媒層2が形成された面の反対側の面)に形成されたカソード触媒層3、を有するMEA4と、アノード触媒層2側に配設されたガス拡散層5と、カソード触媒層3側に配設されたガス拡散層6と、ガス拡散層5側に配設されたセパレータ7と、ガス拡散層6側に配設されたセパレータ8と、を備えている。
As shown in FIG. 1, the fuel cell of the present invention includes a plurality of cells configured similarly to the
セパレータ7は、図1及び図2の紙面手前側から奥側へと向かうにつれて深さが深くなるように形成された複数の第1流路7x、7x、…と、図1及び図2の紙面手前側から奥側へと向かうにつれて深さが浅くなるように形成された複数の第2流路7y、7y、…と、を有し、第1流路7x、7x、…と第2流路7y、7y、…との間の空間(流路9、9、…)には、冷却水が流通するように構成されている。セパレータ7に備えられる第1流路7x、7x、…の傾斜した底部、及び、第2流路7y、7y、…の傾斜した底部と、セル10の上方に配置されたセルのセパレータ8’に備えられる流路の傾斜した底部とは、面接触している。第1流路7x、7x、…の傾斜した底部と面接触しているセパレータ8’の流路(以下において、「第2流路8y’、8y’、…」ということがある。)は、図1及び図2の紙面手前側から奥側へと向かうにつれて深さが浅くなるように構成され、第2流路7y、7y、…の傾斜した底部と面接触しているセパレータ8’の流路(以下において、「第1流路8x’、8x’、…」ということがある。)は、図1及び図2の紙面手前側から奥側へと向かうにつれて深さが深くなるように構成されている。
The
一方、セパレータ8は、図1及び図2の紙面手前側から奥側へと向かうにつれて深さが深くなるように形成された複数の第1流路8x、8x、…と、図1及び図2の紙面手前側から奥側へと向かうにつれて深さが浅くなるように形成された複数の第2流路8y、8y、…と、を有し、第1流路8x、8x、…と第2流路8y、8y、…との間の空間(流路9、9、…)には、冷却水が流通するように構成されている。セパレータ8に備えられる第1流路8x、8x、…の傾斜した底部、及び、第2流路8y、8y、…の傾斜した底部と、セル10の下方に配置されたセルのセパレータ7’に備えられる流路の傾斜した底部とは、面接触している。第1流路8x、8x、…の傾斜した底部と面接触しているセパレータ7’の流路(以下において、「第2流路7y’、7y’、…」ということがある。)は、図1及び図2の紙面手前側から奥側へと向かうにつれて深さが浅くなるように構成され、第2流路8y、8y、…の傾斜した底部と面接触しているセパレータ7’の流路(以下において、「第1流路7x’、7x’、…」ということがある。)は、図1及び図2の紙面手前側から奥側へと向かうにつれて深さが深くなるように構成されている。
On the other hand, the
このように、本発明の燃料電池は、第2流路8y’8y’、…の傾斜した底部と第1流路7x、7x、…の傾斜した底部とが面接触し、第1流路8x’、8x’、…の傾斜した底部と第2流路7y、7y、…の傾斜した底部とが面接触するように、セパレータ8’を有するセルとセル10とが積層される。さらに、第1流路8x、8x、…の傾斜した底部と第2流路7y’、7y’、…の傾斜した底部とが面接触し、第2流路8y、8y、…の傾斜した底部と第1流路7x’、7x’、…の傾斜した底部とが面接触するように、セル10とセパレータ7’を有するセルとが積層される。そのため、燃料電池の外部から、図1及び図2の紙面手前側から奥側へと向かう応力(セルの積層方向と交差する方向へと働く力)が付与された場合には、特に、第1流路7x、7x、…の傾斜した底部と第2流路8y’、8y’、…の傾斜した底部との間に働く摩擦力、及び、第2流路8y、8y、…の傾斜した底部と第1流路7x’、7x’、…の傾斜した底部との間に働く摩擦力によって、その応力を低減させることができる。また、燃料電池の外部から、図1及び図2の紙面奥側から手前側へと向かう応力(セルの積層方向と交差する方向へと働く力)が付与された場合には、特に、第2流路7y、7y、…の傾斜した底部と第1流路8x’、8x’、…の傾斜した底部との間に働く摩擦力、及び、第1流路8x、8x、…の傾斜した底部と第2流路7y’、7y’、…の傾斜した底部との間に働く摩擦力によって、その応力を低減させることができる。したがって、本発明によれば、セルの積層方向と交差する方向へと働く力の影響を低減させることが可能な燃料電池を提供することができる。そして、本発明によれば、セルの積層方向と交差する方向へと働く力の影響を低減させることができるので、燃料電池を構成するセル積層体から一又は複数のセルが押し出される事態を防止することも可能になる。
As described above, in the fuel cell of the present invention, the inclined bottom portions of the
また、本発明の燃料電池において、第1流路7x、7x、…の、図1及び図2の紙面手前側における端部(入口)の深さをX1、図1及び図2の紙面奥側における端部(出口)の深さをX2(>X1)とし、第2流路7y、7y、…の、図1及び図2の紙面手前側における端部(入口)の深さをY1、図1及び図2の紙面奥側における端部(出口)の深さをY2(<Y1)とするとき、セルの積層方向と交差する方向へと働く力の影響を低減する効果を奏しやすい構成とする等の観点からは、X2−X1=Y1−Y2とすることが好ましい。同様に、本発明の燃料電池において、第1流路8x、8x、…の、図1及び図2の紙面手前側における端部(出口)の深さをX3、図1及び図2の紙面奥側における端部(入口)の深さをX4(>X3)とし、第2流路8y、8y、…の、図1及び図2の紙面手前側における端部(出口)の深さをY3、図1及び図2の紙面奥側における端部(入口)の深さをY4(<Y3)とするとき、セルの積層方向と交差する方向へと働く力の影響を低減する効果を奏しやすい構成とする等の観点からは、X4−X3=Y3−Y4とすることが好ましい。
Further, in the fuel cell of the present invention, the depth of the end portion (entrance) of the
さらに、本発明の燃料電池において、第1流路8x’、8x’、…の、図1及び図2の紙面手前側における端部(出口)の深さをX5、図1及び図2の紙面奥側における端部(入口)の深さをX6(>X5)とし、第2流路8y’、8y’、…の、図1及び図2の紙面手前側における端部(出口)の深さをY5、図1及び図2の紙面奥側における端部(入口)の深さをY6(<Y5)とするとき、MEA4、ガス拡散層5、及び、ガス拡散層6へ皺がより難い形態とすることにより燃料電池の性能を向上させやすい形態とする等の観点からは、X1+Y5=X2+Y6=Y1+X5=Y2+X6とすることが好ましい。同様に、本発明の燃料電池において、第1流路7x’、7x’、…の、図1及び図2の紙面手前側における端部(入口)の深さをX7、図1及び図2の紙面奥側における端部(出口)の深さをX8(>X7)とし、第2流路7y’、7y’、…の、図1及び図2の紙面手前側における端部(入口)の深さをY7、図1及び図2の紙面奥側における端部(出口)の深さをY8(<Y7)とするとき、MEA4、ガス拡散層5、及び、ガス拡散層6へ皺がより難い形態とすることにより燃料電池の性能を向上させやすい形態とする等の観点からは、X3+Y7=X4+Y8=Y3+X7=Y4+X8とすることが好ましい。
Further, in the fuel cell of the present invention, the depth of the end (exit) of the
また、本発明の燃料電池において、第1流路7x、7x、…、第2流路7y、7y、…、第1流路8x、8x、…、第2流路8y、8y、…、第1流路7x’、7x’、…、第2流路7y’、7y’、…、第1流路8x’、8x’、…、及び、第2流路8y’、8y’、…は、流路の両端(入口及び出口)が閉塞されていない流路であっても良く、流路の一端(入口又は出口)が閉塞されている閉塞流路であっても良い。ただし、セルの積層方向と交差する方向へと働く力の影響を低減させる効果に加えて、さらに、アノード触媒層2の全面へ水素を満遍なく供給し、かつ、カソード触媒層3の全面へ空気を満遍なく供給することにより、燃料電池の性能を向上させやすい形態とする等の観点からは、これらの流路を閉塞流路とすることが好ましい。
In the fuel cell of the present invention, the
図3は、閉塞部材11によって出口を塞ぐことにより閉塞流路とされた第2流路7yと、閉塞部材11によって入口を塞ぐことにより閉塞流路とされた第1流路7xとが交互に配置されたセパレータ7の形態例を示す平面図である。図3の紙面上下方向が、図2の紙面奥側/手前側方向と対応し、図3の紙面手前/奥方向が、図2の紙面上下方向と対応している。また、図4は、閉塞部材11によって出口を塞ぐことにより閉塞流路とされた第1流路8xと、閉塞部材11によって入口を塞ぐことにより閉塞流路とされた第2流路8yとが交互に配置されたセパレータ8の形態例を示す平面図である。図4の紙面上下方向が、図2の紙面奥側/手前側方向と対応し、図4の紙面手前/奥方向が、図2の紙面上下方向と対応している。
In FIG. 3, the
図1〜図3に示すように、入口が開口し出口が閉塞している第2流路7y、7y、…の深さを、入口から出口へ向かうにつれて深さが浅くなるように構成することにより、閉塞されている第2流路7y、7y、…の出口近傍における水素の流速低下を抑制することができる。加えて、入口が閉塞し出口が開口している第1流路7x、7x、…の深さを、入口から出口へ向かうにつれて深さが深くなるように構成することにより、閉塞されている第1流路7x、7x、…の入口近傍における水素の流速低下を抑制することができる。したがって、このような第1流路7x、7x、…、及び、第2流路7y、7y、…が備えられる形態とすることにより、本発明によれば、アノード触媒層2の全面へ水素を満遍なく供給することにより性能を向上させることが可能な、燃料電池を提供することができる。
As shown in FIG. 1 to FIG. 3, the depth of the
加えて、図1、図2、及び、図4に示すように、入口が開口し出口が閉塞している第1流路8x、8x、…の深さを、入口から出口へ向かうにつれて深さが浅くなるように構成することにより、閉塞されている第1流路8x、8x、…の出口近傍における空気の流速低下を抑制することができる。加えて、入口が閉塞し出口が開口している第2流路8y、8y、…の深さを、入口から出口へ向かうにつれて深さが深くなるように構成することにより、閉塞されている第2流路8y、8y、…の入口近傍における空気の流速低下を抑制することができる。したがって、このような第1流路8x、8x、…、及び、第2流路8y、8y、…が備えられる形態とすることにより、本発明によれば、カソード触媒層3の全面へ空気を満遍なく供給することにより性能を向上させることが可能な、燃料電池を提供することができる。
In addition, as shown in FIG. 1, FIG. 2, and FIG. 4, the depth of the
本発明の燃料電池に関する上記説明では、第1流路及び第2流路がそれぞれ複数備えられ、第1流路及び第2流路が交互に連続して配置されている形態を例示したが、本発明の燃料電池は当該形態に限定されるものではない。本発明の燃料電池は、1つのセパレータに、1つの第1流路及び1つの第2流路が備えられ、当該1つのセパレータに備えられる他の流路は深さが流路の全長に亘って略一定となるように構成されていても良い。但し、セルの積層方向と交差する方向へと働く力を容易に低減可能にする等の観点からは、第1流路及び第2流路がそれぞれ複数備えられ、第1流路及び第2流路が交互に連続して配置されている形態とすることが好ましい。 In the above description regarding the fuel cell of the present invention, a plurality of first flow paths and second flow paths are provided, and the first flow path and the second flow path are alternately and continuously disposed. The fuel cell of the present invention is not limited to this form. In the fuel cell of the present invention, one separator is provided with one first flow path and one second flow path, and the other flow paths provided in the one separator have a depth that covers the entire length of the flow path. And may be configured to be substantially constant. However, from the viewpoint of easily reducing the force acting in the direction intersecting the cell stacking direction, a plurality of first flow paths and second flow paths are provided, and the first flow path and the second flow path are provided. It is preferable that the paths are arranged alternately and continuously.
また、本発明の燃料電池に関する上記説明では、互いに接触する2つのセパレータの流路の傾斜した底部同士が面接触している形態(第1流路7x、7x、…の傾斜した底部と第2流路8y’、8y’、…の傾斜した底部とが面接触し、第2流路7y、7y、…の傾斜した底部と第1流路8x’、8x’、…の傾斜した底部とが面接触し、第1流路8x、8x、…の傾斜した底部と第2流路7y’、7y’、…の傾斜した底部とが面接触し、第2流路8y、8y、…の傾斜した底部と第1流路7x’、7x’、…の傾斜した底部とが面接触している形態)を例示したが、本発明の燃料電池は当該形態に限定されるものではない。本発明の燃料電池は、接触すべき2つのセパレータのうち、一方のセパレータに形成された流路の傾斜した底部と、他方のセパレータに形成された流路の傾斜した底部とが、複数の点や線を介して接触する形態とすることも可能である。但し、接触抵抗の増大を抑制することにより、性能を向上させやすい形態とする等の観点からは、互いに接触する2つのセパレータのそれぞれに備えられる流路の傾斜した底部同士が面接触している形態とすることが好ましい。
In the above description of the fuel cell of the present invention, the inclined bottom portions of the flow paths of the two separators that are in contact with each other are in surface contact with each other (the inclined bottom portion of the
また、本発明の燃料電池に関する上記説明では、第1流路7x、7x、…、第2流路7y、7y、…、第1流路8x、8x、…、第2流路8y、8y、…、第1流路7x’、7x’、…、第2流路7y’、7y’、…、第1流路8x’、8x’、…、及び、第2流路8y’、8y’、…の底部が、傾斜した平面によって構成される形態を例示したが、本発明の燃料電池は当該形態に限定されるものではない。本発明の燃料電池は、セパレータに備えられる第1流路及び/又は第2流路の底部を傾斜した曲面形状や階段状に形成することも可能である。
In the above description regarding the fuel cell of the present invention, the
また、本発明の燃料電池に関する上記説明では、水素の流通方向及び空気の流通方向が、互いに向かい合う方向となるように、水素及び空気を流通させる形態を例示したが、本発明の燃料電池は、当該形態に限定されるものではない。本発明の燃料電池は、水素の流通方向及び空気の流通方向が、互いに同じ方向となるように、水素及び空気を流通させることも可能である。 Further, in the above description regarding the fuel cell of the present invention, the mode in which hydrogen and air are circulated is exemplified so that the flow direction of hydrogen and the flow direction of air are opposite to each other. It is not limited to the said form. The fuel cell of the present invention can also circulate hydrogen and air so that the flow direction of hydrogen and the flow direction of air are the same.
また、本発明の燃料電池において、流路9、9、…を流れる冷却水の流通方向は、特に限定されるものではないが、セル10の温度制御を容易にする等の観点からは、冷却水の流通方向及び空気の流通方向が、互いに向かい合う方向となり、かつ、冷却水の流通方向及び水素の流通方向が、互いに同じ方向となるように、冷却水並びに空気及び水素を流通させることが好ましい。
Further, in the fuel cell of the present invention, the flow direction of the cooling water flowing through the flow passages 9, 9,... Is not particularly limited, but from the viewpoint of facilitating the temperature control of the
また、本発明の燃料電池に関する上記説明では、X2−X1=Y1−Y2とし、かつ、X4−X3=Y3−Y4とする形態を例示したが、本発明の燃料電池は当該形態に限定されるものではない。本発明の燃料電池に、閉塞流路である第1流路7x、7x、…、第2流路7y、7y、…、第1流路8x、8x、…、及び、第2流路8y、8y、…が備えられる場合、セルの積層方向と交差する方向へと働く力の影響を低減させつつ、アノード触媒層2へと供給される水素の流速分布や、カソード触媒層3へと供給される空気の流速分布を制御しやすい形態とする等の観点からは、「X2−X1」と「Y1−Y2」とが等しくない形態や、「X4−X3」と「Y3−Y4」とが等しくない形態とすることが好ましい。
Further, in the above description regarding the fuel cell of the present invention, an example in which X2−X1 = Y1−Y2 and X4−X3 = Y3−Y4 is illustrated. However, the fuel cell of the present invention is limited to this mode. It is not a thing. The
また、本発明の燃料電池において、セパレータ7、セパレータ8、セパレータ7’、及び、セパレータ8’は、メタルプレートやカーボンプレート等を、例えばプレス成形や切削加工することにより、作製することができる。本発明の燃料電池に備えられるセパレータの構成材料は、PEFCのセパレータとして使用可能な構成材料であれば特に限定されるものではないが、深さが一定ではない流路の形成を容易にしてセパレータの生産効率を向上させやすくする等の観点からは、プレス成形のセパレータとすることが好ましい。
In the fuel cell of the present invention, the
また、本発明の燃料電池を車両に搭載する場合、車両の前後方向及び左右方向とセルの積層方向との関係は特に限定されるものではないが、セルの積層方向と交差する方向へと力が付与された場合であっても当該力の影響を低減させることが可能という本発明の効果を発現させやすい形態とする等の観点からは、車両の前後方向とセルの積層方向とを一致させることが好ましい。 In addition, when the fuel cell of the present invention is mounted on a vehicle, the relationship between the vehicle front-rear direction and the left-right direction and the cell stacking direction is not particularly limited. From the standpoint of making it easy to express the effect of the present invention that the influence of the force can be reduced even when the vehicle is applied, the vehicle front-rear direction and the cell stacking direction are matched. It is preferable.
1…電解質膜
2…アノード触媒層
3…カソード触媒層
4…MEA
5…ガス拡散層
6…ガス拡散層
7…セパレータ(第1セパレータ)
7’…セパレータ(第1セパレータ)
7x…第1流路
7y…第2流路
8…セパレータ(第2セパレータ)
8’…セパレータ(第2セパレータ)
8x…第1流路
8y…第2流路
9…流路
10…セル
11…閉塞部材
DESCRIPTION OF
5 ... Gas diffusion layer 6 ...
7 '... Separator (first separator)
7x ...
8 '... Separator (second separator)
8x ...
Claims (5)
一対の前記セパレータの、前記膜電極構造体側の面に、前記膜電極構造体へと供給される反応ガスが流通する複数の流路がそれぞれ備えられるとともに、該複数の流路に、一方から他方へ向かって深さが浅くなる第1流路と、前記一方から前記他方へ向かって深さが深くなる第2流路とが備えられ、
複数の前記セルのうち、前記セパレータ同士が接触する2つの前記セルを第1セル及び第2セルとし、該第2セルの前記セパレータと接触する前記第1セルの前記セパレータを第1セパレータ、該第1セパレータと接触する前記第2セルの前記セパレータを第2セパレータとするとき、
前記第1セパレータに備えられる前記第1流路の傾斜した底部と前記第2セパレータに備えられる前記第2流路の傾斜した底部とが接触し、かつ、前記第1セパレータに備えられる前記第2流路の傾斜した底部と前記第2セパレータに備えられる前記第1流路の傾斜した底部とが接触することを特徴とする、燃料電池。 A plurality of cells each including a membrane electrode structure and a pair of separators sandwiching a laminate including at least the membrane electrode structure;
A plurality of flow paths through which a reaction gas supplied to the membrane electrode structure circulates are provided on the surfaces of the pair of separators on the membrane electrode structure side. A first flow path that decreases in depth toward the second side, and a second flow path that increases in depth from the one side toward the other,
Among the plurality of cells, the two cells that are in contact with each other are the first cell and the second cell, and the separator of the first cell that is in contact with the separator of the second cell is the first separator, When the separator of the second cell that contacts the first separator is the second separator,
The inclined bottom of the first flow path provided in the first separator and the inclined bottom of the second flow path provided in the second separator are in contact with each other, and the second provided in the first separator. The fuel cell according to claim 1, wherein the inclined bottom portion of the channel and the inclined bottom portion of the first channel provided in the second separator are in contact with each other.
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KR101637630B1 (en) * | 2013-12-17 | 2016-07-07 | 현대자동차주식회사 | Fuel cell separator and fuel cell stack including the same |
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