JP2010153266A - Fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は燃料電池に関する。 The present invention relates to a fuel cell.
将来の燃料電池実用化のため、小型・低コスト化が求められる。このため、運転条件は、冷却・加湿系簡略化のために「高温・無加湿」となり、加圧ポンプ排除、小型ファン・低補機動力のために「空気常圧・低流量」となり、循環ポンプ排除のために「水素加圧デッドエンド・循環なし」になると予測される。 Small size and low cost are required for future fuel cell commercialization. For this reason, the operating conditions are “high temperature / no humidification” for simplification of the cooling / humidification system, and “air normal pressure / low flow rate” for eliminating the pressurizing pump, small fan / low auxiliary power, and circulation. It is predicted that "hydrogen pressurization dead end and no circulation" will occur due to pump elimination.
燃料電池を「高温・無加湿」にすると、電解質の乾燥によりプロトン伝導が低下し、発電特性が低下する。この対策として、アノード又はカソードに流れる水素ガスと空気との流れの向きを逆にする対向流が広く知られている。この対向流では各極のガス導入部が対極の流路末端となるため、電解質を介した水の相互移動によりMEA内を適当に湿潤できるので、空気導入部の乾燥を抑制できる。 When the fuel cell is set to “high temperature / no humidification”, proton conduction decreases due to drying of the electrolyte, and power generation characteristics deteriorate. As a countermeasure, a counterflow that reverses the direction of the flow of hydrogen gas and air flowing to the anode or cathode is widely known. In this counterflow, the gas introduction part of each electrode becomes the flow path end of the counter electrode, so that the inside of the MEA can be appropriately wetted by the mutual movement of water via the electrolyte, so that drying of the air introduction part can be suppressed.
しかしながら、特に「高温・無加湿」と 「水素加圧デッドエンド・循環なし」の組み合わせでは、上記対向流によって生じるMEA内の湿潤の効果が低下する。これは水素デッドエンド系では水蒸気キャリアとなる水素ガスの流れが流路末端で停止するためである。このため、水素デッドエンド系では流路末端に対向する空気導入部からの無加湿空気流入に伴い、該空気導入部の電解質が乾燥して発電特性が低下する。しかも、乾燥部位の発電特性低下に伴う水素消費量の減少により、水素導入側にも乾燥が進行していくという悪循環が発生する。このような状態では、MEAの一部しか発電に寄与せず、本来の発電特性が得られないという課題を見出した。 However, in particular, in the combination of “high temperature / no humidification” and “hydrogen pressurization dead end / no circulation”, the effect of wetting in the MEA caused by the counter flow is reduced. This is because in the hydrogen dead end system, the flow of hydrogen gas serving as a water vapor carrier stops at the end of the flow path. For this reason, in the hydrogen dead end system, with the inflow of non-humidified air from the air introduction part facing the end of the flow path, the electrolyte in the air introduction part dries and power generation characteristics deteriorate. In addition, a vicious cycle occurs in which drying proceeds on the hydrogen introduction side due to a decrease in the amount of hydrogen consumption accompanying a decrease in power generation characteristics at the drying site. In such a state, only a part of the MEA contributes to power generation, and the original power generation characteristics cannot be obtained.
本発明は、上記従来の課題を解決するためになされたもので、燃料極側においてデッドエンドタイプの水素ガス流路を備える燃料電池のタイプであって、空気導入部の電解質が乾燥することを防止する燃料電池を提供することを目的としている。 The present invention has been made to solve the above-described conventional problems, and is a type of a fuel cell having a dead-end type hydrogen gas flow path on the fuel electrode side, wherein the electrolyte in the air introduction part is dried. It aims at providing the fuel cell which prevents.
第1の局面の燃料電池は、
相対向する第1の辺と第2の辺を有する燃料電池の空気極側において前記第1の辺側から前記第2の辺側へ空気を流通させる空気流路を備え、燃料極側においてデッドエンドタイプの水素ガス流路を備える燃料電池であって、
前記水素ガス流路は、前記第2の辺側を水素ガス導入口とする第1の水素ガス流路と、該第1の水素ガス流路に平行な第2の水素ガス流路と、前記第1の水素ガス流路の前記第1の辺側端部と前記第2の水素ガス流路の前記第1の辺側端部とを結ぶ第1の屈曲部と、を備えてなるものである。
この燃料電池によれば、水素ガスは、第1の水素ガス流路、第1の屈曲部、第2の水素ガス流路へと流れ、水素ガス流路がデッドエンドタイプであるから、第2の水素ガス流路の末端部にて水素ガスの流れが消滅する。
一方、従来のストレートの水素ガス流路では、空気流路の導入側に対向する部位で、水素ガスの流れが停止するのに対して、第1の局面の燃料電池によれば、デッドエンドタイプの水素ガス流路であっても、第1の辺側端部の空気流路の対向部となる、別言すれば、空気流路の導入対向部に対する水素ガス量は、第1の屈曲部、第2の水素ガス流路へと流れる量によって決まる。これにより、空気導入の対向部に対する水素ガスの流れが増大して水蒸気のキャリアガスとして機能し、空気流路の導入部の乾燥を抑制できる。したがって、空気流路の導入部の乾燥に伴う発電性能の低下を防止できる。
また、第1の屈曲部は、屈曲されていれば、形状の如何は問わないが、圧力損失、幅方向の長さの増加を考慮するとU形状が好ましい。
The fuel cell of the first aspect is
The fuel cell having an opposing first side and second side includes an air flow path for circulating air from the first side to the second side on the air electrode side of the fuel cell, and dead on the fuel electrode side. A fuel cell comprising an end-type hydrogen gas flow path,
The hydrogen gas flow path includes a first hydrogen gas flow path having the second side side as a hydrogen gas inlet, a second hydrogen gas flow path parallel to the first hydrogen gas flow path, A first bent portion connecting the first side-side end of the first hydrogen gas flow path and the first side-side end of the second hydrogen gas flow path. is there.
According to this fuel cell, the hydrogen gas flows to the first hydrogen gas flow channel, the first bent portion, and the second hydrogen gas flow channel, and the hydrogen gas flow channel is a dead end type. The hydrogen gas flow disappears at the end of the hydrogen gas flow path.
On the other hand, in the conventional straight hydrogen gas flow path, the flow of hydrogen gas stops at a portion facing the introduction side of the air flow path, whereas according to the fuel cell of the first aspect, the dead end type In other words, the amount of hydrogen gas with respect to the introduction facing portion of the air flow path is the first bent portion. , Depending on the amount flowing into the second hydrogen gas flow path. Thereby, the flow of hydrogen gas with respect to the air introduction facing portion increases and functions as a water vapor carrier gas, and drying of the air flow passage introduction portion can be suppressed. Therefore, it is possible to prevent a decrease in power generation performance due to drying of the introduction portion of the air flow path.
Further, the shape of the first bent portion is not particularly limited as long as it is bent, but a U shape is preferable in consideration of pressure loss and increase in the length in the width direction.
第2の局面の燃料電池は、前記第2の水素ガス流路の終端が前記第2の辺側において前記水素ガス導入口と隣接している、ことが好ましい。
これにより、第2の水素ガス流路の終端が水素ガス導入口と隣接しているので、第2の水素ガス流路の長さが第1の水素ガス流路とほぼ同一となる。
したがって、空気導入の対向部に対する水素ガス量は、第2の水素ガス流路の長さにより増大するから上記第1の局面の燃料電池よりも、空気流路の導入部の乾燥をより抑制できる。
また第1と第2の水素ガス流路に各々逆向きの流れが発生するため、燃料極内において少なからず対向琉の効果が期待できる。
また、水素ガス流路は、第1の水素ガス流路と第1の屈曲部と第2の水素ガス流路とにより水素ガス流路が例えば略U形状となることから、第1及び第2の水素ガス流路により形成される投影面積を、第2の水素ガス流路の終端が第2の辺側において水素ガス導入口と離れた場合に比較して狭くできるので、コンパクト化が可能になると共に設置面積を減少できる。設置面積が同一であれば、このような水素ガス流路を多数設置できるので、空気流路の導入部の乾燥をより一層抑制できる。
In the fuel cell according to the second aspect, it is preferable that an end of the second hydrogen gas flow path is adjacent to the hydrogen gas inlet on the second side.
As a result, the end of the second hydrogen gas flow channel is adjacent to the hydrogen gas inlet, so the length of the second hydrogen gas flow channel is substantially the same as the first hydrogen gas flow channel.
Therefore, since the amount of hydrogen gas with respect to the air introduction facing portion increases with the length of the second hydrogen gas flow channel, drying of the air flow channel introduction portion can be further suppressed as compared with the fuel cell of the first aspect. .
In addition, since flows in opposite directions are respectively generated in the first and second hydrogen gas flow paths, the effect of facing soot can be expected in the fuel electrode.
In addition, the hydrogen gas flow path has, for example, a substantially U shape by the first hydrogen gas flow path, the first bent portion, and the second hydrogen gas flow path. Since the projected area formed by the hydrogen gas flow path can be made narrower than when the end of the second hydrogen gas flow path is separated from the hydrogen gas inlet on the second side, it is possible to make it compact And the installation area can be reduced. If the installation area is the same, a large number of such hydrogen gas flow paths can be installed, so that drying of the introduction part of the air flow path can be further suppressed.
第3の局面の燃料電池における前記水素ガス流路は、前記第2の水素ガス流路に平行な第3の水素ガス流路と、前記第2の水素ガス流路の前記第2の辺側端部と前記第3の水素ガス流路の前記第2の辺側端部とを結ぶ第2の屈曲部と、を更に備え、前記第3の水素ガス流路の終端は前記第1の辺側において前記第1の屈曲部に隣接している、ことが好ましい。
これにより、水素ガスは水素ガス導入口から流れて第1の水素ガス流路、第1の屈曲部、第2の水素ガス流路、第2の屈曲部、第3の水素ガス流路を流れ、この第3の水素ガス流路の末端部で水素ガスの流れが消滅する。したがって、第3の局面の燃料電池は、空気導入の対向部に対する水素ガス量が第1の屈曲部、第2の水素ガス流路に加えて、第2の屈曲部、第3の水素ガス流路へ流れる量だけ増加するから、第2の局面の燃料電池に比較して第2の屈曲部、第3の水素ガス流路を流す流量を増大できるので、空気流路の導入部の乾燥をより抑制できる。
また、第3の局面の燃料電池は、第3の水素ガス流路の終端が第1の屈曲部と隣接しているので、第3の水素ガス流路の長さが第1の水素ガス流路とほぼ同一となる。空気導入の対向部に対する水素ガス量は、水素ガス流路の長さにより増大するから空気流路の導入部の湿潤を増大できる。
In the fuel cell of the third aspect, the hydrogen gas flow path includes a third hydrogen gas flow path parallel to the second hydrogen gas flow path, and the second side of the second hydrogen gas flow path. A second bent portion connecting an end portion and the second side-side end portion of the third hydrogen gas flow path, and the terminal end of the third hydrogen gas flow path is the first side It is preferable that it is adjacent to the first bent portion on the side.
Thereby, hydrogen gas flows from the hydrogen gas inlet and flows through the first hydrogen gas flow path, the first bent portion, the second hydrogen gas flow path, the second bent portion, and the third hydrogen gas flow path. The flow of hydrogen gas disappears at the end of the third hydrogen gas flow path. Therefore, in the fuel cell of the third aspect, the amount of hydrogen gas with respect to the air introduction facing portion has the second bent portion and the third hydrogen gas flow in addition to the first bent portion and the second hydrogen gas flow path. Since the flow rate increases by the amount flowing to the road, the flow rate flowing through the second bent portion and the third hydrogen gas flow path can be increased as compared with the fuel cell of the second aspect. It can be suppressed more.
In the fuel cell of the third aspect, since the terminal end of the third hydrogen gas channel is adjacent to the first bent portion, the length of the third hydrogen gas channel is the first hydrogen gas flow. Almost the same as the road. Since the amount of hydrogen gas with respect to the air introduction facing portion increases with the length of the hydrogen gas passage, wetting of the introduction portion of the air passage can be increased.
また、第3の局面の燃料電池は、第3の水素ガス流路の終端が第1の屈曲部と隣接しているので、第1と第3の水素ガス流路に各々逆向きの流れが発生するため、燃料極内において少なからず対向琉の効果が期待できる。また、水素ガス流路は、第1から第3の水素ガス流路により水素ガス流路が例えばU形状と逆U形状との中央のガス流路を重ねた略N形状となることから、第1から第3の水素ガス流路により形成される投影面積を狭くできるのでコンパクト化が可能になると共に、水素ガス流路の設置面積を減少できる。設置面積が同一であれば、このような水素ガス流路を多数設置できるので、空気流路の導入部の乾燥をより一層抑制できる。 Further, in the fuel cell of the third aspect, since the terminal end of the third hydrogen gas channel is adjacent to the first bent portion, there is a flow in opposite directions in the first and third hydrogen gas channels. Since this occurs, the effect of the opposing soot can be expected in the fuel electrode. In addition, the hydrogen gas flow path is substantially N-shaped by overlapping the central gas flow path of, for example, a U shape and an inverted U shape by the first to third hydrogen gas flow paths. Since the projected area formed by the first to third hydrogen gas passages can be narrowed, it is possible to reduce the size and reduce the installation area of the hydrogen gas passages. If the installation area is the same, a large number of such hydrogen gas flow paths can be installed, so that drying of the introduction part of the air flow path can be further suppressed.
第4の局面の燃料電池は、前記第1の水素ガス流路が前記第2の水素ガス流路より幅狭に形成される、ことが好ましい。
これにより、空気導入の対向部に流れる水素ガス量は、第2の水素ガス流路の幅が広くなるにつれて大きくなるが、第1の水素ガス流路の幅にはほとんど関係しない。したがって、第2の水素ガス流路の幅が第1の水素ガス流路の幅よりも広いほうが、第1の水素ガス流路と第2の水素ガス流路の幅が同一の場合に比較して、空気導入部の対向部に流れる水素ガス流量がさらに増加する。したがって、同一面積の水素ガス流路でも、第4の局面の燃料電池は、空気導入の対向部に流れる水素ガス量を増加できるので、より多くの水蒸気を空気導入の対向部に移動させることができ、空気流路の導入部の乾燥を防止できる。
In the fuel cell according to the fourth aspect, it is preferable that the first hydrogen gas channel is formed narrower than the second hydrogen gas channel.
As a result, the amount of hydrogen gas flowing through the air introduction facing portion increases as the width of the second hydrogen gas flow path increases, but has little relation to the width of the first hydrogen gas flow path. Therefore, the width of the second hydrogen gas flow path is wider than the width of the first hydrogen gas flow path compared to the case where the widths of the first hydrogen gas flow path and the second hydrogen gas flow path are the same. As a result, the flow rate of hydrogen gas flowing in the opposite part of the air introduction part further increases. Therefore, the fuel cell of the fourth aspect can increase the amount of hydrogen gas flowing to the air-introducing facing portion even in the same area of the hydrogen gas flow path, so that more water vapor can be moved to the air-introducing facing portion. It is possible to prevent drying of the introduction portion of the air flow path.
実施例1
本発明の実施形態を図1から図3によって説明する。図1は燃料電池スタックにおける単一セルの断面図、図2は図1に示す水素ガス流路部の詳細図、図3は図1に示す水素ガス流路と空気流路との関係を示す模式図である。
燃料電池は、単位ユニットUを複数接続しており、この単位ユニットUは、図1に示すように、高分子電解質膜11の両面にカソード側触媒層12a及びアノード側触媒層12bが積層されており、その外側がカソード側拡散層13及びアノード側拡散層14で挟まれ、MEA10を構成している。さらに、MEA10の両側からセパレータ16、17のリブ16a、17aで圧接されており、これによりセパレータ16、17とカソード側拡散層13及びアノード側拡散層14との間に水素ガスを流すデッドエンドタイプの水素ガス流路部20、空気を流す空気流路50が形成されている。
Example 1
An embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 is a cross-sectional view of a single cell in a fuel cell stack, FIG. 2 is a detailed view of a hydrogen gas flow path section shown in FIG. 1, and FIG. 3 shows a relationship between the hydrogen gas flow path and the air flow path shown in FIG. It is a schematic diagram.
In the fuel cell, a plurality of unit units U are connected. As shown in FIG. 1, each unit unit U has a cathode
図2及び図3に示すように、水素ガス流路部20は、MEA10に対向して多数の水素ガス流路30を有しており、N形状の水素ガス流路30は、二つのU形状部を連通して全体が略N形状と成っている。空気流路50は、MEA10の相対向する水平な第1の辺(下辺)10aと水平な第2の辺(上辺)10cに対応して、空気極側においても第1の辺10a及び第2の辺10cを有しており、第1の辺10a側から第2の辺10c側へ空気を流通させるように形成されている。
As shown in FIGS. 2 and 3, the hydrogen gas
N形状の水素ガス流路30は、等間隔で設けられた同一幅でほぼ同一の長さの第1の水素ガス流路31、第2の水素ガス流路32、第3の水素ガス流路33を有しており、第1の水素ガス流路31の終端部と第2のガス流路32の始端部とが第1の屈曲部31cで連通され、第2の水素ガス流路32の終端部と第3のガス流路32の始端部とが第2の屈曲部32cで連通されており、第1の屈曲部31cがMEA10を介して空気流路50の導入部と第3の水素ガス流路33の排出部とに対向している。
さらに、N形状の水素ガス流路30は、第2の屈曲部32cが第1の水素ガス流路31の水素導入部に対向すると共に、該水素導入部とMEA10を介して空気流路50の排出部に対向している。
The N-shaped hydrogen
Further, the N-shaped hydrogen
N形状の水素ガス流路30は、第2の辺10c側を水素ガス導入口20aとすると共に、空気流路50に対して平行な第1の水素ガス流路31と、第1の水素ガス流路31に平行な第2の水素ガス流路32と、第1の水素ガス流路31の第1の辺側端部と第2の水素ガス流路22の第1の辺側端部とを結ぶU形状の第1の屈曲部31cを有している。
The N-shaped hydrogen
そして、N形状の水素ガス流路30は、第2の水素ガス流路32の終端が第2の辺側において水素ガス導入口30aと対向して隣接している。
さらに、N形状の水素ガス流路30は、第2の水素ガス流路32と平行な第3の水素ガス流路33及び第2の水素ガス流路32の第2の辺側端部と第3の水素ガス流路33の第2の辺側端部とを結ぶU形状の第2の屈曲部32cを有しており、第3の水素ガス流路33の終端は第1の辺側において第1の屈曲部31cに対向して隣接している。
N形状の水素ガス流路30は、第1の屈曲部31cと第2の屈曲部32cとを有するので、折り返し回数となるターン数が2回に形成されている。
The N-shaped hydrogen
Further, the N-shaped hydrogen
Since the N-shaped hydrogen
<水素ガス流路部20の末端部における水素ガス量Qdの算出>
図4に示すように、水素デッドエンド系において水素ガス流路30がn回ターン(折り返す)している場合、N形状の水素ガス流路30における空気流路50の導入部に対向する部位(空気流路の導入対向部)の水素ガス量は、末端微小領域a×Wに相当する部分に流れるもので、MEA10の発電分布がないという仮定の下、図5に示す点線の枠内を水素ガス流路30を成す流路の本数倍した面積で消費される水素量に相当する。
<Calculation of the hydrogen gas amount Qd at the end of the hydrogen gas
As shown in FIG. 4, when the hydrogen
即ち、MEA10全体の水素消費量をCH2とすると、空気流路50の導入対向部の水素ガス量QdはMEA10の全面積D×Wとの比により以下の式で示される。
n:水素ガス流路のターン数、ns:水素ガス流路の本数(組数)
Pr:リブ幅、Pd:水素ガス流路の幅
CH2:電極面積D×Wにおける水素消費量(ファラデー則)
また、水素ガス流路30の本数nsは下式で示せるため
Pr: rib width, Pd: width of hydrogen gas flow path C H2 : hydrogen consumption in electrode area D × W (Faraday rule)
Further, the number n s of the
<MEA全体の水素消費量に対する水素ガス量比Qd/CH2>
水素デッドエンド系では空気導入対向部の水素ガス量Qdは、MEA10の全体の水素消費量以上にはならないため、数式3を変形し、MEA全体の水素消費量に対する空気導入の対向部の水素ガス量比Qd/CH2の関係に整理すると下式となる。
末端微小領域a=0.5cmとおいたとき、燃料電池スタックとして現実的なMEA10のD寸法5〜20cmを本式に代入すると、図6に示す結果が得られる。
<Hydrogen gas amount ratio Q d / C H2 to total MEA hydrogen consumption>
Hydrogen gas amount Q d of the air introduction opposing portions hydrogen dead end system, since not more than the total hydrogen consumption of
When the terminal minute region a = 0.5 cm is set, the result shown in FIG. 6 is obtained by substituting 5 to 20 cm for the D dimension of the
図6によれば、空気導入対向部の水素ガス量は、MEA10のD寸法には殆ど依存せず、N形状の水素ガス流路30のターン回数(屈曲部の数)により変化する。これは、水素ガス流路30の溝幅・溝ピッチ・長さ等の流路形状に関わらず、単純にターン回数のみのパラメータで空気流路50の導入対向部に流れる水素ガス量を決定できることを意味する。
これは、数式4の分子がnD>>aであるから、下式となることからも理解できる。
This can also be understood from the fact that the numerator of Formula 4 is nD >> a, and thus the following formula.
したがって、水素ガス流路30のターン回数を増やし末端微小領域に流れる水素ガス量を多くすることで、対向流が増大できる。さらに、図6によれば、空気流路50の導入対向部におけるターン回数による水素ガス量Qdの増加は、5回以下でも十分得られる。
Therefore, the counter flow can be increased by increasing the number of turns of the hydrogen
一方、水素ガス流路30のターン数が多くなると、水素ガス流路30の圧力損失が増大したり、主に停止時などセル温度が下がったときに発生する凝縮水により水素ガス流路30の水詰まりなどが生じたりするおそれがある。このため、N形状の水素ガス流路30のターン数を5回以下で、3回ターンぐらいまでが好ましい。
On the other hand, when the number of turns of the hydrogen
上記のように構成された燃料電池の動作を図1から図3、図7、図8を参照して説明する。図7は本発明の一実施例による燃料電池スタックの動作を示す断面図、図8は従来の水素ガス流路の平面図(a)、本発明の他の実施例を示す水素ガス流路の平面図(b)である。
空気流路50に空気を、水素ガス流路30に水素ガスをそれぞれ供給して負荷を接続すると、水素ガスは、第1の屈曲部31c、第2の水素ガス流路32、第2の屈曲部、第3の水素ガス流路33を流れる。N形状の水素ガス流路30に供給された水素ガス中に含まれる水素は、MEA10により水素イオンとなり、空気流路50に供給された空気中に含まれる酸素と反応し、水を生成する。
特に、図7に示すように、空気流路50の導入対向部に生成された水は、MEA10の空気流路50の導入部から排出部に流れ、MEA10を介して水素ガス流路部20に流れ、水素ガス流路部20の末端部からMEA10を介して空気流路50の導入部に流れるという循環水となる。
なお、空気流路50の導入対向部以外で生成された水も、空気流路50の排出部へと流れ、MEA10を介して水素ガス流路部20に流れ、水素ガス流路部20の末端部からMEA10を介して空気流路50の導入部に流れるという循環水となる。
The operation of the fuel cell configured as described above will be described with reference to FIGS. 1 to 3, 7, and 8. FIG. 7 is a sectional view showing the operation of the fuel cell stack according to one embodiment of the present invention, FIG. 8 is a plan view of a conventional hydrogen gas channel (a), and a hydrogen gas channel of another embodiment of the present invention. It is a top view (b).
When air is supplied to the
In particular, as shown in FIG. 7, the water generated in the introduction facing part of the
In addition, the water produced | generated except the introduction opposing part of the
この時、空気流路50の導入対向部における水素ガス流は、第1の屈曲部31c、第2の水素ガス流路32、第2の屈曲部32c、第3の水素ガス流路33を流れることにより生じる。図8(a)に示す従来のターン数がない真直ぐな多数のI形状の水素ガス流路130(以下、従来のストレート流路130という)では、上記第1の屈曲部31c、第2の水素ガス流路32、第3の水素ガス流路33が存在しないので、N形状の水素ガス流路30は、ストレート流路130に比較して大量の水素ガスを空気流路50の導入対向部に流すことができる。
At this time, the hydrogen gas flow in the introduction facing portion of the
上記のように構成されたN形状の水素ガス流路30は、空気流路50に対して平行な第1から第3の水素ガス流路31,32,33と、第1及び第2の水素ガス流路31,32との第1の辺側端部どうしを結ぶ第1の屈曲部31cと、第2の水素ガス流路32の終端が第2の辺側において水素ガス導入口30aと対向隣接しており、さらに、第2及び第3の水素ガス流路32,33の第2の辺側端部どうしを結ぶ第2の屈曲部32cを有し、第3の水素ガス流路33の終端は第1の辺側で第1の屈曲部31cに対向隣接している。
これにより、空気流路50の導入対向部における水素ガス量は、第1の屈曲部31c、第2の水素ガス流路32、第2の屈曲部32c、第3の水素ガス流路33を流れることにより、デッドエンドタイプの水素ガス流路30を備える燃料電池のタイプでも、従来のストレート流路130に比較して大量の水素ガスを空気流路50の導入対向部に流すことによりMEA10に適度な湿潤をもたらす。したがって、空気流路50の導入部の乾燥を防止できるので、発電性能の低下を防止できる。
The N-shaped hydrogen
Thereby, the amount of hydrogen gas in the introduction facing portion of the
また、図8(b)に示すように、N形状の水素ガス流路30に代えて、U形状の水素ガス流路230を備えても良い。U形状の水素ガス流路230は、第2の辺10c側を水素ガス導入口とする第1の水素ガス流路31、第1の水素ガス流路31に平行な終端を有する第2の水素ガス流路32、及び第1の水素ガス流路31の第1の辺10a側端部と第2の水素ガス流路32の第1の辺10a側端部とを結ぶ第1の屈曲部31cとを備えも良い。なお、図8(b)中、図と同一符号分は、同一部分を示し説明を省略する。
このように構成されたU形状の水素ガス流路230によれば、従来のストレート流路130に比較して大量の水素ガスを空気流路50の導入対向部に流すことができると共に、水素加圧量を減少できる。したがって、空気流路50の導入部の乾燥を防止できる。
Further, as shown in FIG. 8B, a U-shaped
According to the U-shaped hydrogen
図8(b)に示すように、第2の水素ガス流路32の終端が第2の辺10c側において水素ガス導入口と隣接していることが好ましい。
このように形成された水素ガス流路230によれば、第1と第2の水素ガス流路に各々逆向きの流れが発生するため、燃料極内において少なからず対向琉の効果が期待できる。また、水素ガス流路は略U形状となるので、同一投影面積において、多数の水素ガス流路230を設けることができる。したがって、多数のU形状の水素ガス流路230を配置して水素ガス流路部20を形成できるので、空気流の導入対向部の水素ガス量を増大して空気流路50の導入部の乾燥を適切に防止できる。
As shown in FIG. 8B, it is preferable that the end of the second hydrogen
According to the hydrogen
<実験結果>
次に、ターン数が異なる3種類の水素ガス流路30、130、230を用意し、実験により燃料電池スタックの電流密度対セル電圧、電流密度対セル抵抗の特性を測定することにより、空気流路50の導入部の湿潤の程度を客観的に判定するとともに、燃料電池性能の向上がみられるのを確認した。
水素ガス流路は、図8(a)に示す従来のストレートな多数のI形状の水素ガス流路130、図8(b)に示すように、1回のターン数を有するU形状の水素ガス流路230、本実施例の水素ガス流路30をそれぞれ適用し、カソード側となる空気流路50は水素ガス流路130と同形状のストレート流路を適用している。
<Experimental result>
Next, three types of hydrogen
The hydrogen gas flow path includes a number of conventional straight I-shaped hydrogen
発電条件は、温度:70℃、アノード:無加湿水素加圧デッドエンド(1kgf/cm2-G)
カソード:無加湿空気常圧フロー(ストイキ2相当)、 対向流
Power generation conditions are temperature: 70 ° C, anode: non-humidified hydrogen pressure dead end (1kgf / cm2-G)
Cathode: Non-humidified air normal pressure flow (equivalent to stoichiometric 2), counter flow
上記発電条件において、3種類の水素ガス流路30、130、230をそれぞれ適用した燃料電池の電流密度に対応するセル抵抗、セル電圧を測定した特性曲線図を、それぞれ図9、図10に示す。図9及び図10によれば、水素ガス流路部20のターン回数が多いほど、燃料電池スタックのセル抵抗が減少し、セル電圧が向上した。
図9によれば、特にセル抵抗は、水素ガス流路部20のターン回数が多いほど、はっきりと低下している。上記空気導入対向部の水素ガス量比Qd/CH2によってセル抵抗の傾向を明確にするために、水素ガス量比Qd/CH2を横軸に整理すると図11に示すように、水素ガス量比Qd/CH2の値が大きいほどフル加湿(100%―RH)時のセル抵抗である4mΩ前後に収束していく傾向が見られた。したがって、水素ガス量比Qd/CH2の増加に伴い、空気導入対向部の湿潤が加速することが確認できた。
即ち、水素ガス流路部20のターン回数を増やすことで、空気導入部に対向する部位の水素ガス量が増え、水蒸気のキャリアガスとして機能することで、対向部位の空気導入部の乾燥を抑制していることが実験によっても確かめられた。
FIG. 9 and FIG. 10 show characteristic curves obtained by measuring cell resistance and cell voltage corresponding to the current density of the fuel cell to which the three types of hydrogen
According to FIG. 9, in particular, the cell resistance decreases more clearly as the number of turns of the hydrogen gas
That is, by increasing the number of turns of the hydrogen gas
実施例2
上記実施例1では、第1の水素ガス流路31の幅と第2の水素ガス流路32の幅が同一であったが、本実施例の水素ガス流路部は、第1の水素ガス流路31が第2の水素ガス流路32より幅狭に形成されているものである。水素ガス量Qdは、図5に示すように、第1の水素ガス流路31の幅にほとんど影響されないからである。
このように構成された水素ガス流路部によれば、第1の水素ガス流路31と第2の水素ガス流路32との幅が同一の場合に比較して、多数の水素ガス流路30を設けることができるので、水素ガス流路部30の全体のターン数を増加して空気流路50の空気導入部の乾燥をより一層抑制できる。
Example 2
In the first embodiment, the width of the first hydrogen
According to the hydrogen gas flow path portion configured in this way, the number of hydrogen gas flow paths is larger than that in the case where the first hydrogen
実施形態3
上記実施形態の1の水素ガス流路30は、2回のターン数を有する略N形状であったが、本実施例における水素ガス流路330は図12に示すように、3回のターン数を有する略W形状でも良い。図12中、図3と同一符号は、同一部分を示し、説明を省略する。
図12において、略W形状の水素ガス流路330は、第3の水素ガス流路33と平行な第4の水素ガス流路334及び第3の水素ガス流路33の第1の辺10aの側端部と第4の水素ガス流路33の第2の辺側端部とを結ぶU形状の第3の屈曲部33cを有しており、第4の水素ガス流路33の終端は第2の辺10c側において第1の屈曲部31cに対向して隣接している。
このように構成された略W形状の水素ガス流路330を用いた燃料電池によれば、空気流路50の導入対向部の水素ガス量をN形状の水素ガス流路30よりも、第3の屈曲部33c、第4の水素ガス流路を流れる分増大して空気流路50の導入部の乾燥を、N形状の水素ガス流路30よりも、防止できる。
Embodiment 3
The hydrogen
In FIG. 12, the substantially W-shaped hydrogen
According to the fuel cell using the substantially W-shaped hydrogen
この発明は、上記発明の実施例及び実施例の説明に何ら限定されるものではない。特許請求の範囲の記載を逸脱せず、当業者が容易に想到できる範囲で種々の変形態様もこの発明に含まれる。 The present invention is not limited to the embodiments of the invention and the description of the embodiments. Various modifications may be included in the present invention as long as those skilled in the art can easily conceive without departing from the description of the scope of claims.
30…N形状の水素ガス流路
31…第1の水素ガス流路
31c…第1の屈曲部
32…第2の水素ガス流路
32c…第2の屈曲部
33…第2の水素ガス流路
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記水素ガス流路は、前記第2の辺側を水素ガス導入口とする第1の水素ガス流路と、該第1の水素ガス流路に平行な第2の水素ガス流路と、前記第1の水素ガス流路の前記第1の辺側端部と前記第2の水素ガス流路の前記第1の辺側端部とを結ぶ第1の屈曲部と、を備えてなる燃料電池。 The fuel cell having an opposing first side and second side includes an air flow path for circulating air from the first side to the second side on the air electrode side of the fuel cell, and dead on the fuel electrode side. A fuel cell comprising an end-type hydrogen gas flow path,
The hydrogen gas flow path includes a first hydrogen gas flow path having the second side side as a hydrogen gas inlet, a second hydrogen gas flow path parallel to the first hydrogen gas flow path, A fuel cell comprising: a first bent portion connecting the first side-side end portion of the first hydrogen gas flow channel and the first side-side end portion of the second hydrogen gas flow channel. .
前記第3の水素ガス流路の終端は前記第1の辺側において前記第1の屈曲部に隣接している、ことを特徴とする請求項1に記載の燃料電池。 The hydrogen gas flow path includes a third hydrogen gas flow path parallel to the second hydrogen gas flow path, the second side end of the second hydrogen gas flow path, and the third hydrogen gas. A second bent portion connecting the second side-side end portion of the gas flow path,
2. The fuel cell according to claim 1, wherein an end of the third hydrogen gas channel is adjacent to the first bent portion on the first side.
4. The fuel cell according to claim 1, wherein the first hydrogen gas passage is formed to be narrower than the second hydrogen gas passage. 5.
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CN110459780A (en) * | 2019-07-25 | 2019-11-15 | 南方科技大学 | Fuel cell bipolar plate and fuel cell |
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- 2008-12-26 JP JP2008331677A patent/JP2010153266A/en active Pending
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