JP2011014462A - 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.
燃料電池は、水素及び酸素を燃料として電気エネルギーを得るための装置である。燃料電池は、エネルギーへの変換効率が高く、環境面においても優れていることから、今後のエネルギー供給システムとして広く開発が進められている。 A fuel cell is a device for obtaining electrical energy using hydrogen and oxygen as fuel. Since fuel cells have high conversion efficiency into energy and are excellent in terms of environment, they are widely developed as future energy supply systems.
一般的な燃料電池は、電解質膜及び触媒層を有する膜−電極接合体と、膜−電極接合体に隣接して設けられたガス拡散層と、ガス流路が形成されたセパレータと、を備えている。従来から、ガス拡散層にガスを供給する供給流路と、ガス拡散層からガスを回収する排出流路とが、所定間隔をおいて交互に形成された櫛型のガス流路が知られている。供給ガス流路の先端部に水が溜まると、供給ガス流路からガス拡散層へのガスの拡散が阻害され、発電効率が低下してしまうという問題が生じる。そこで、このような櫛型のガス流路において、供給側のガス流路の先端部に排水路を設け、当該領域における水滴の滞留を抑制したガス流路が知られている(例えば、特許文献1を参照)。 A general fuel cell includes a membrane-electrode assembly having an electrolyte membrane and a catalyst layer, a gas diffusion layer provided adjacent to the membrane-electrode assembly, and a separator in which a gas flow path is formed. ing. Conventionally, there has been known a comb-shaped gas flow path in which a supply flow path for supplying gas to a gas diffusion layer and a discharge flow path for recovering gas from the gas diffusion layer are alternately formed at predetermined intervals. Yes. If water accumulates at the tip of the supply gas flow path, gas diffusion from the supply gas flow path to the gas diffusion layer is hindered, resulting in a problem that power generation efficiency is reduced. Therefore, in such a comb-shaped gas flow path, a gas flow path is known in which a drainage path is provided at the tip of the supply-side gas flow path to suppress the retention of water droplets in the region (for example, Patent Documents). 1).
しかしながら、特許文献1に記載の技術では、セパレータを貫通する排水路を新たに設ける必要があり、セパレータの作成工程が複雑化してしまうおそれがあった。 However, in the technique described in Patent Document 1, it is necessary to newly provide a drainage channel penetrating the separator, which may complicate the separator production process.
本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、比較的簡易な方法により供給ガス流路からの排水を促進することで、発電効率を向上させ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 problems, and an object of the present invention is to provide a fuel cell capable of improving power generation efficiency by promoting drainage from a supply gas flow path by a relatively simple method. And
本発明は、膜−電極接合体と、前記膜−電極接合体を挟持する一対のガス拡散層と、前記一対のガス拡散層を挟持する一対のセパレータと、を備え、前記一対のセパレータの少なくとも一方の前記ガス拡散層側の面において、上流端が供給マニホールドに接続され、下流端が閉塞された溝状の第1ガス流路と、上流端が閉塞され、下流端が排出マニホールドに接続された溝状の第2ガス流路と、を有し、前記第1ガス流路の下流端である第1領域と、前記第2ガス流路のうち前記第1領域に最も近い領域である第2領域との差圧が、前記第2ガス流路の上流端である第3領域と、前記第1ガス流路のうち前記第3領域に最も近い領域である第4領域との差圧より大きい、ことを特徴とする燃料電池である。本構成によれば、第1領域と第2領域との差圧を他の領域に比べて大きくすることにより、第1領域からの排水を促進することができる。その結果、第1領域からガス拡散層へのガスの浸透が促進され、発電効率を向上させることができる。また、本構成によれば、排水路を新たに設ける必要がないため、セパレータの製造工程の複雑化を抑制することができる。 The present invention comprises a membrane-electrode assembly, a pair of gas diffusion layers that sandwich the membrane-electrode assembly, and a pair of separators that sandwich the pair of gas diffusion layers, and at least one of the pair of separators On one gas diffusion layer side surface, the upstream end is connected to the supply manifold, the downstream end is closed, and the upstream end is closed, and the downstream end is connected to the discharge manifold. A groove-shaped second gas channel, and a first region that is the downstream end of the first gas channel, and a second region that is the closest to the first region of the second gas channel. The differential pressure between the second region and the second region is based on the differential pressure between the third region that is the upstream end of the second gas flow channel and the fourth region that is the region closest to the third region in the first gas flow channel. It is a large fuel cell. According to this configuration, drainage from the first region can be promoted by increasing the differential pressure between the first region and the second region as compared with other regions. As a result, the penetration of gas from the first region into the gas diffusion layer is promoted, and the power generation efficiency can be improved. Moreover, according to this structure, since it is not necessary to newly provide a drainage channel, the complexity of the manufacturing process of a separator can be suppressed.
上記構成において、前記第2ガス流路における前記第2領域の流路断面積が、前記第2ガス流路における前記第2領域以外の流路断面積より小さい構成とすることができる。本構成によれば、第2領域の流路断面積を小さくすることにより、第1領域と第2領域との差圧を他の領域に比べて大きくすることができる。 The said structure WHEREIN: The flow-path cross-sectional area of the said 2nd area | region in the said 2nd gas flow path can be set as the structure smaller than the flow-path cross-sectional area other than the said 2nd area | region in the said 2nd gas flow path. According to this configuration, by reducing the channel cross-sectional area of the second region, the differential pressure between the first region and the second region can be increased compared to other regions.
上記構成において、前記第2ガス流路の流路断面積が、前記第1ガス流路の流路断面積より小さい構成とすることができる。本構成によれば、第1領域と第2領域との差圧を他の領域に比べて大きくすることができる。 The said structure WHEREIN: The flow path cross-sectional area of the said 2nd gas flow path can be set as the structure smaller than the flow path cross-sectional area of the said 1st gas flow path. According to this configuration, the differential pressure between the first region and the second region can be increased compared to other regions.
本発明は、膜−電極接合体と、前記膜−電極接合体を挟持する一対のガス拡散層と、前記一対のガス拡散層を挟持する一対のセパレータと、を備え、前記一対のセパレータの少なくとも一方の前記ガス拡散層側の面において、上流端が供給マニホールドに接続され、下流端が閉塞された溝状の第1ガス流路と、上流端が閉塞され、下流端が排出マニホールドに接続された溝状の第2ガス流路と、前記第1ガス流路の下流端である第1領域と、前記第2ガス流路のうち前記第1領域に最も近い領域である第2領域との差圧が、前記第2ガス流路の上流端である第3領域と、前記第1ガス流路のうち前記第3領域に最も近い領域である第4領域との差圧より大きくなるように制御する差圧制御手段と、を備えることを特徴とする燃料電池である。本構成によれば、差圧制御手段により、第1領域と第2領域との差圧を他の領域に比べて大きくすることで、第1領域からの排水を促進することができる。その結果、第1領域からガス拡散層へのガスの浸透が促進され、発電効率を向上させることができる。また、本構成によれば、排水路を新たに設ける必要がないため、セパレータの製造工程の複雑化を抑制することができる。 The present invention comprises a membrane-electrode assembly, a pair of gas diffusion layers that sandwich the membrane-electrode assembly, and a pair of separators that sandwich the pair of gas diffusion layers, and at least one of the pair of separators On one gas diffusion layer side surface, the upstream end is connected to the supply manifold, the downstream end is closed, and the upstream end is closed, and the downstream end is connected to the discharge manifold. A groove-shaped second gas flow path, a first area that is a downstream end of the first gas flow path, and a second area that is the area closest to the first area of the second gas flow path. The differential pressure is larger than the differential pressure between the third region that is the upstream end of the second gas flow channel and the fourth region that is the region closest to the third region in the first gas flow channel. And a differential pressure control means for controlling the fuel cell. According to this configuration, drainage from the first region can be promoted by increasing the differential pressure between the first region and the second region as compared with other regions by the differential pressure control means. As a result, the penetration of gas from the first region into the gas diffusion layer is promoted, and the power generation efficiency can be improved. Moreover, according to this structure, since it is not necessary to newly provide a drainage channel, the complexity of the manufacturing process of a separator can be suppressed.
上記構成において、前記差圧制御手段は、前記第2領域に対し負圧を印加する負圧印加手段である構成とすることができる。本構成によれば、第2領域に負圧を印加することにより、第1領域と第2領域との差圧を他の領域に比べて大きくすることができる。 The said structure WHEREIN: The said differential pressure control means can be set as the structure which is a negative pressure application means which applies a negative pressure with respect to the said 2nd area | region. According to this configuration, by applying a negative pressure to the second region, the differential pressure between the first region and the second region can be increased compared to the other regions.
上記構成において、前記差圧制御手段は、前記第2ガス流路のうち少なくとも前記第2領域に設けられ、湿度の増加に伴い流路断面積を低減する流路断面積低減手段である構成とすることができる。本構成によれば、湿度に応じて流路断面積を調節することができるため、第1領域からの排水量を湿度に応じて調節することができる。 In the above configuration, the differential pressure control unit is a channel cross-sectional area reducing unit that is provided in at least the second region of the second gas channel and reduces the channel cross-sectional area as the humidity increases. can do. According to this configuration, since the flow path cross-sectional area can be adjusted according to humidity, the amount of drainage from the first region can be adjusted according to humidity.
上記構成において、前記第2ガス流路における前記第2領域の流路表面積が、前記第2ガス流路における前記第2領域以外の流路表面積より大きい構成とすることができる。本構成によれば、第2領域の流路表面積を大きくすることにより、排水をさらに促進することができる。 The said structure WHEREIN: The flow-path surface area of the said 2nd area | region in the said 2nd gas flow path can be set as the structure larger than flow-path surface areas other than the said 2nd area | region in the said 2nd gas flow path. According to this configuration, the drainage can be further promoted by increasing the channel surface area of the second region.
本発明によれば、比較的簡易な方法で供給ガス流路からの排水を促進することにより、発電効率を向上させることができる。 According to the present invention, power generation efficiency can be improved by promoting drainage from the supply gas flow path by a relatively simple method.
以下、図面を用い本発明に係る実施例について説明する。 Embodiments according to the present invention will be described below with reference to the drawings.
図1は、実施例1に係る燃料電池システム100の構成を示した図である。燃料電池システム100は、複数の単セルが積層されて構成された固体高分子型の燃料電池10を有する。燃料電池10には、各単セルにアノードガスを供給するためのアノードガス供給手段12、及び各単セルにカソードガスを供給するためのカソードガス供給手段14が接続されている。また、燃料電池10には、出力を測定するための電流計16及び電圧計18、並びにセル内の湿度を測定するための湿度計20が接続されている。さらに、燃料電池10には、セル内に冷却水を供給するための冷却水供給手段22が接続されている。燃料電池10から冷却水を回収する冷却水通路24には、セル内の温度を検出するための温度計26が設置されている。
FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration of a
また、燃料電池システム100は、燃料電池10内の所定の領域に負圧を印加するための負圧印加手段30と、負圧印加手段30を制御するための制御手段28とを含む。制御手段28には、電流計16、電圧計18、湿度計20、及び温度計26からの信号が入力され、これらの信号により把握された燃料電池10内部の状態に基づいて、負圧印加手段30の制御が行われる。制御手段28は、例えばCPU(Central Processing Unit)やECU(Engine Control Unit)等により構成される。
The
図2(a)は、燃料電池10の断面模式図である(燃料電池10として単セルが図示されている)。燃料電池10は、中央部に膜−電極接合体40を有する。膜−電極接合体40は、一対のガス拡散層(アノードガス拡散層50及びカソードガス拡散層52)により挟持されている。一対のガス拡散層50及び52は、さらに一対のセパレータ(アノードセパレータ54及びカソードセパレータ56)により挟持されている。
FIG. 2A is a schematic cross-sectional view of the fuel cell 10 (a single cell is illustrated as the fuel cell 10). The
膜−電極接合体40は、電解質膜42と、アノード触媒層44と、カソード触媒層46とを含む。電解質膜42としては、例えばプロトン伝導性を有する固体高分子電解質膜(例えば、パーフルオロスルホン酸膜)を用いることができる。
The membrane-
アノード触媒層44及びカソード触媒層46は、電解質膜42を挟持するように配置されている。アノード触媒層44に含まれる触媒は、水素のプロトン化を促進させ、カソード触媒層46に含まれる触媒は、プロトンと酸素との反応を促進させる。アノード触媒層44及びカソード触媒層46の触媒としては、例えば白金を用いることができる。この場合、アノード触媒層44及びカソード触媒層46は、例えば白金担持カーボンを含む。
The
アノードガス拡散層50及びカソードガス拡散層52は、導電性及びガス拡散性を有する。アノードガス拡散層50は、水素を含むアノードガスを拡散させ、アノード触媒層44に供給する機能を有する。カソードガス拡散層52は、酸素を含むカソードガスを拡散させ、カソード触媒層46に供給する機能を有する。アノードガス拡散層50及びカソードガス拡散層52としては、例えばカーボンペーパ、カーボンクロス等のカーボン繊維を用いることができる。
The anode
アノードセパレータ54及びカソードセパレータ56は、それぞれ
アノードガス拡散層50及びカソードガス拡散層52と接して配置されている。それぞれのセパレータには、ガス拡散層にガスを供給するためのガス流路が形成されている。
The
図2(b)は、カソードセパレータ56を膜−電極接合体40側から見た図である。図中の矢印はガスの流れを示す。図2(c)は、カソードセパレータ56を図1(b)のA−A’線方向から見た断面図である(カソードセパレータ56以外の構成要素は省略している)。図2(c)に示すように、カソードセパレータ56のカソードガス拡散層52側の面には、溝状の凹部が形成されている。この凹部とカソードガス拡散層52とによって区画された領域は、カソードガスが流動するためのガス流路として機能する。
FIG. 2B is a view of the
図2(b)に示すように、燃料電池10のガス流路は、2つの対向する櫛型ガス流路が、交互に噛み合うように形成されている。ガス流路は、供給マニホールド60から分岐する複数の供給ガス流路62(第1ガス流路)と、排出マニホールド70から分岐する複数の排出ガス流路72(第2ガス流路)とを含む。供給マニホールド60の上流端はガスの供給口64に接続され、排出マニホールド70の下流端はガスの排出口74に接続されている。供給側のガス流路(60、62)と、排出側のガス流路(70、72)とは、溝状の凹部としては繋がっていない。
As shown in FIG. 2B, the gas flow path of the
供給ガス流路62は、カソードガス拡散層52にガスを供給するための流路であり、その上流端は供給マニホールド60に接続され、下流端は閉塞している。排出ガス流路72は、カソードガス拡散層52からガスを回収・排出するための流路であり、その上流端は閉塞し、下流端は排出マニホールド70に接続されている。供給ガス流路62と排出ガス流路72とは、所定間隔をおいて交互に形成されている。
The
図3(a)は、図2(b)におけるガス流路の一部を拡大した図である。以下の説明において、供給ガス流路62の下流端に相当する領域を第1領域80と称し、排出ガス流路72のうち第1領域80に最も近い領域を第2領域82と称する。同様に、排出ガス流路72の上流端に相当する領域を第3領域84と称し、供給ガス流路62のうち第3領域84に最も近い領域を第4領域86と称する。
Fig.3 (a) is the figure which expanded a part of gas flow path in FIG.2 (b). In the following description, a region corresponding to the downstream end of the
図3(b)は、図3(a)のA−A’線に沿った断面模式図である。図中の矢印はガスの流れを示す。図示するように、カソードガス及び水蒸気をはじめとするガスは、供給ガス流路62からカソードガス拡散層52に浸透し、カソードガス拡散層52を通って排出ガス流路へと移動する。低温運転時においては、供給ガス流路62及びカソードガス拡散層52内で水滴が生じる場合があるが、その場合の水滴の移動経路もガスと同様に矢印に沿ったものとなる。
FIG. 3B is a schematic cross-sectional view taken along the line A-A ′ of FIG. The arrows in the figure indicate the gas flow. As shown in the figure, gases such as cathode gas and water vapor permeate into the cathode
図3(b)に示すように、供給ガス流路62の下流端は閉塞しているため、その先端部(第1領域80)に到達したガスは、カソードガス拡散層52に潜る。このため、供給ガス流路の先端が排出側と接続された従来のガス流路に比べて、供給ガス流路62からカソードガス拡散層52へのカソードガスの浸透量が増え、ガスの反応が促進されることにより発電効率が向上する。その一方で、特に低温運転時において、供給ガス流路62の先端(第1領域80)に水が溜まることにより、当該領域におけるガスの浸透が阻害されてしまうという課題がある。本実施例に係る燃料電池システム100は、このような課題を解決することを目的とする。
As shown in FIG. 3 (b), the downstream end of the supply
図4は、図1における負圧印加手段30の詳細な構成を示した図である。負圧印加手段30は、負圧ポンプ32、負圧タンク34、及び負圧切替弁36を含む。負圧ポンプ32は、負圧タンク34に負圧を蓄える。負圧切替弁36は、カソードセパレータ56の排気系58に設置されており、制御手段28により開閉が制御される。以上のように、負圧印加手段30は、負圧タンク34内に蓄えられた負圧を、排出ガス流路72の下流領域(第2領域82)に対し印加することができるように構成されている。
FIG. 4 is a diagram showing a detailed configuration of the negative pressure applying means 30 in FIG. The negative
図5は、本実施例に係る燃料電池システム100の動作を示したフローチャートである。最初に、制御手段28が、電流計16、電圧計18、湿度計20、及び温度計26からの信号に基づいて、燃料電池10の運転状態を検出する(ステップS10)。次に、制御手段28は、検出された運転状態に基づいて、負圧印加手段30を作動させるか否かの判定を行う(ステップS12)。ステップS12でYESの場合には、制御手段28の制御を受けた負圧印加手段30が、排出ガス流路72の第2領域82に対し負圧を印加する(ステップS14)。
FIG. 5 is a flowchart showing the operation of the
例えば、燃料電池10の出力が低い、温度が低い、湿度が高い等の状態が検出された場合には、供給ガス流路62の先端部に水が溜まっていると推測される。従って、ステップS10において、これらのパラメータの全てまたは一部が供給ガス流路62の先端部における水の滞留を推測させる場合に、制御手段28が負圧印加手段30を作動させる構成とすることができる。なお、これらの計測機器は、燃料電池10の運転状態を把握するための機器の一例であるため、その一部を省略してもよい。
For example, when a state in which the output of the
排出ガス流路72の下流領域(第2領域82)に負圧が印加されることにより、供給ガス流路62の下流端(第1領域80)との圧力差が拡大する(詳細には、第1領域80と第2領域82との差圧が、第3領域84と第4領域86との差圧より大きくなる)。これにより、第2領域82において、第1領域80からカソードガス拡散層52を介してガス及び水滴を吸引する力が増大し、第1領域80からの排水が促進される。その結果、第1領域80からカソードガス拡散層52へのガスの浸透を促進し、燃料電池10の発電効率を向上させることができる。
By applying a negative pressure to the downstream region (second region 82) of the
以上のように、供給ガス流路62の下流端である第1領域80と、排出ガス流路72のうち第1領域80に最も近い領域である第2領域82との差圧が、排出ガス流路72の上流端である第3領域84と、供給ガス流路62のうち第3領域84に最も近い領域である第4領域86との差圧より大きくなるようにすることで、供給ガス流路62の下流端からの排水を促進し、発電効率を向上させることができる。
As described above, the differential pressure between the
なお、実施例1では、燃料電池システム100が制御手段28を備える構成であったが、常に排水を行う場合は、このような制御手段を設けなくともよい。
In the first embodiment, the
実施例2は、排出ガス流路の一部の流路断面積を低減することにより、供給ガス流路との差圧の拡大を図った例である。燃料電池システム100の全体構成及び燃料電池10の基本構成は実施例1(図1〜図2)と同様であるが、本実施例では制御手段28及び負圧印加手段30は必須ではない。
Example 2 is an example in which the differential pressure with respect to the supply gas channel is increased by reducing the partial cross-sectional area of the exhaust gas channel. The overall configuration of the
図6(a)は、実施例2に係る燃料電池10のガス流路の一部を拡大した図であり、実施例1の図3(a)に対応する。図示するように、実施例1のガス流路に比べて、排出ガス流路72の下流領域(第2領域82)における流路幅が狭くなっている。すなわち、排出ガス流路72のうち第2領域82の流路断面積が、排出ガス流路72のその他の領域の流路断面積より小さくなっている。これにより、第2領域82においてガスの流速が増大し、第2領域82と第1領域80との差圧が大きくなる。
FIG. 6A is an enlarged view of a part of the gas flow path of the
図6(b)は、実施例2の変形例を示した図であり、排出ガス流路72の第2領域82における断面を示している。排出ガス流路72の上面図は実施例1の図3(a)と同一である。図6(b)に示すように、第2領域82における排出ガス流路72の高さ(実線部分)は、その他の領域(点線部分)より小さくなっている。これにより、図6(a)と同様に、第2領域82における流路断面積を小さくすることができる。
FIG. 6B is a view showing a modification of the second embodiment, and shows a cross section in the
図6(a)及び(b)に示すように、排出ガス流路72のうち第2領域82の流路断面積を、排出ガス流路72のその他の領域の流路断面積より小さくすることで、第2領域82におけるガスの流速を増大させることができる。これにより、実施例1と同様に、第1領域80と第2領域82との差圧を、第3領域84と第4領域86との差圧より大きくすることができる。その結果、その結果、供給ガス流路62の第1領域80からの排水を促進し、燃料電池10の発電効率を向上させることができる。
As shown in FIGS. 6A and 6B, the cross-sectional area of the
なお、流路断面積を低減するために、流路幅及び流路高さの両方を低減してもよい。また、流路の断面形状も矩形に限らず、任意の形とすることができる。 Note that both the channel width and the channel height may be reduced in order to reduce the channel cross-sectional area. Further, the cross-sectional shape of the flow path is not limited to a rectangular shape, and may be an arbitrary shape.
実施例3は、排出ガス流路全体の流路断面積を低減する例である。ガス流路以外の構成については実施例2と同様である。 Example 3 is an example in which the flow path cross-sectional area of the entire exhaust gas flow path is reduced. The configuration other than the gas flow path is the same as that of the second embodiment.
図7(a)は、実施例3に係る燃料電池10のガス流路の一部を拡大した図であり、実施例2の図6(a)に対応する。図示するように、供給ガス流路62に比べて、排出ガス流路72の流路幅が狭くなっている。すなわち、排出ガス流路72の流路断面積が、供給ガス流路62の流路断面積より小さくなっている。これにより、両者の流路断面積が同じである場合に比べて、第2領域82を含む排出ガス流路72全域におけるガスの流速が増大する。
FIG. 7A is an enlarged view of a part of the gas flow path of the
図7(b)は、供給ガス流路62におけるガスの分布を示したグラフである。グラフの横軸は、供給ガス流路62の溝方向の位置を示し、原点側が上流となっている。グラフの縦軸は、供給ガス流路62からカソードガス拡散層52へ浸透するガスの量を示している。Aのグラフは、供給ガス流路62と排出ガス流路72の流路断面積が等しい場合のガス分布を示している(比較例)。Bのグラフは、供給ガス流路62と排出ガス流路72の流路断面積が、共にAの場合よりも小さい場合のガス分布を示している(比較例)。Cのグラフは、本実施例のように、排出ガス流路72の流路断面積が供給ガス流路62の流路断面積より小さい場合のガス分布を示している。拡散層内に潜るガスの分配は、流路部の圧損と拡散層内の圧損により決定される。拡散層内の圧損が高いほど、AからBのように均一な分布に近づく。
FIG. 7B is a graph showing the gas distribution in the
Aのグラフでは、供給ガス流路62の下流側(第1領域80)においてガスの浸透量が多く、排水性が高くなっている。しかし、供給ガス流路62の中央部においてはカソードガス拡散層52へのガスの供給が不足しており、当該領域が発電不良となってしまう。Bのグラフでは、供給ガス流路62の下流側(第1領域80)においてガスの浸透量が少なく、当該領域における排水性は良好でない。
In the graph of A, the gas permeation amount is large on the downstream side (first region 80) of the supply
一方で、Cのグラフのように排出ガス流路72の流路断面積が供給ガス流路62の流路断面積より小さい場合、供給ガス流路62側の全体の圧損が排出ガス流路72側の全体の圧損よりも小さくなる。それにより、Bに比べて供給ガス流路62の上流側(第4領域86)及び下流側(第1領域80)におけるガスの浸透量が多くなっている。また、Aに比べて供給ガス流路62の中央部におけるガスの浸透量が大きく、カソードガス拡散層52に十分なガスが供給されている。さらに、上記圧損差に起因して、第1領域80と第2領域82との差圧が、第3領域84と第4領域86との差圧よりも大きくなる。それにより、供給ガス流路62の上流側(第4領域86)に比較して、下流側(第1領域80)におけるガスの浸透量が大きくなる。その結果、供給ガス流路62の第1領域80からの排水が促進される。このように、本実施例の流路構成によれば、カソードガス拡散層52に対し十分な量のガスを供給しつつ、排水性を改善することができる。
On the other hand, when the flow path cross-sectional area of the exhaust
図7(c)は、実施例3の変形例を示した図であり、排出ガス流路72の第2領域82における断面を示している。排出ガス流路72の上面図は実施例1の図3(a)と同一である。図7(c)に示すように、排出ガス流路72の高さは、供給ガス流路62に比べて低くなっている。これにより、図7(a)と同様に、排出ガス流路72の流路断面積を小さくすることができる。
FIG. 7C is a view showing a modification of the third embodiment, and shows a cross section in the
図7(a)及び(c)示すように、排出ガス流路72全域の流路断面積を、供給ガス流路62の流路断面積より小さくすることで、カソードガス拡散層52に対し十分な量のガスを供給しつつ、供給ガス流路62における排水性を改善することができる。
As shown in FIGS. 7A and 7C, the cross-sectional area of the entire exhaust
なお、実施例2と同様に、流路断面積を低減するために、流路幅及び流路高さの両方を低減してもよい。また、流路の断面形状も矩形に限らず、任意の形とすることができる。 As in the second embodiment, both the channel width and the channel height may be reduced in order to reduce the channel cross-sectional area. Further, the cross-sectional shape of the flow path is not limited to a rectangular shape, and may be an arbitrary shape.
実施例4は、周囲の環境に応じて流路断面積を変化させる部材を用いた例である。燃料電池システム100の全体構成及び燃料電池10の基本構成は実施例1と同様であるが、実施例2〜3と同様に制御手段28及び負圧印加手段30は必須ではない。
Example 4 is an example in which a member that changes the cross-sectional area of the flow path according to the surrounding environment is used. The overall configuration of the
図8(a)及び(b)は、実施例4に係る燃料電池10のガス流路の一部を拡大した図であり、実施例1の図3(a)に対応する。図示するように、排出ガス流路72の壁面には、吸水性樹脂90が設けられている。吸水性樹脂90は、吸水により膨張し、排出ガス流路72の流路断面積を変化させる。図8(a)は、吸水性樹脂90が乾燥状態にある場合を示しており、吸水性樹脂90の縮小により流路断面積は大きくなっている。図8(b)は、吸水性樹脂90が湿潤状態にある場合を示しており、吸水性樹脂90の膨張により流路断面積は小さくなっている。
FIGS. 8A and 8B are enlarged views of a part of the gas flow path of the
図8(b)の状態において、第1領域80と第2領域82との差圧は、第3領域84と第4領域86との差圧よりも大きくなる。これにより、第2領域82において、第1領域80からカソードガス拡散層52を介してガス及び水滴を吸引する力が増大し、第1領域80からの排水が促進される。その結果、発電効率を向上させることができる。
In the state of FIG. 8B, the differential pressure between the
また、排水の必要性が低い(低湿度の)場合には、吸水性樹脂90が縮小することで、流路断面積及びガス流量が増大する。このように、湿度が大きくなるに従って流路断面積を小さくする流路断面積低減部材(吸水性樹脂90)を用いることで、排出ガス流路の流路断面積を環境に応じて調節することができる。なお、本実施例では吸水性樹脂90を排出ガス流路72の全域に設けたが、吸水性樹脂90は、少なくとも排出ガス流路72の第2領域82に設けられていればよい。吸水性樹脂90を第2領域82のみに設けた場合は、吸水性樹脂90の膨張時において実施例2と同様の作用効果を奏する。
Further, when the necessity for drainage is low (low humidity), the water
実施例5は、排出ガス流路の流路表面積を増大させることにより、排水の促進を図った例である。燃料電池システム100の全体構成及び燃料電池10の基本構成は実施例1と同様であるが、実施例2〜4と同様に制御手段28及び負圧印加手段30は必須ではない。
Example 5 is an example in which drainage is promoted by increasing the channel surface area of the exhaust gas channel. The overall configuration of the
図9(a)及び(b)は、実施例5に係る燃料電池10のガス流路の一部を拡大した図であり、実施例1の図3(a)及び(b)に対応する。図示するように、排出ガス流路72における第2領域82の壁面には、流路表面積増加手段としての突起92が形成されている。これにより、第2領域82の流路表面積は、排出ガス流路72の他の領域の流路表面積より大きくなっている。また、突起92により、第2領域82の流路断面積は、排出ガス流路72における他の領域に比べて小さくなっている。これにより、実施例2と同様に、第1領域80と第2領域82との差圧が、第3領域84と第4領域86との差圧より大きくなるため、第1領域80からの排水が促進される。
FIGS. 9A and 9B are enlarged views of a part of the gas flow path of the
また、排出ガス流路72における水滴の多くは、水蒸気が冷却されることにより流路壁面等に凝結し、ガスの流れによりもたらされるせん断力により排出方向へと移動する。従って、ガスの流量・流速が同じであれば、水滴の付着可能な表面積(流路表面積)が大きいほど、排出される水の量は多くなる。本実施例では、突起92が形成されている第2領域82の流路表面積が、その他の部分の流路表面積に比べて大きい。これにより、第2領域82における水の排出をさらに促進することができる。
In addition, most of the water droplets in the exhaust
以上のように、実施例1〜5の燃料電池及び燃料電池システムによれば、供給ガス流路62の先端部(第1領域80)における水の排出を促進し、発電効率の向上を図ることができる。また、セパレータに排水路を新たに形成する必要がないため、製造工程の複雑化を抑制することができる。なお、これら複数の実施例は、実施例2と実施例3の組み合せを除き、互いに組み合わせて実施することが可能である。
As described above, according to the fuel cells and fuel cell systems of Examples 1 to 5, the discharge of water at the tip end portion (first region 80) of the
以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明は係る特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。 Although the embodiments of the present invention have been described in detail above, the present invention is not limited to such specific embodiments, and various modifications and changes can be made within the scope of the gist of the present invention described in the claims. It can be changed.
10 燃料電池
28 制御部
30 負圧印加手段
60 供給マニホールド
62 供給ガス流路
70 排出マニホールド
72 排出ガス流路
90 吸水性樹脂
92 突起
100 燃料電池システム
DESCRIPTION OF
Claims (7)
前記膜−電極接合体を挟持する一対のガス拡散層と、
前記一対のガス拡散層を挟持する一対のセパレータと、を備え、
前記一対のセパレータの少なくとも一方の前記ガス拡散層側の面において、上流端が供給マニホールドに接続され、下流端が閉塞された溝状の第1ガス流路と、上流端が閉塞され、下流端が排出マニホールドに接続された溝状の第2ガス流路と、を有し、
前記第1ガス流路の下流端である第1領域と、前記第2ガス流路のうち前記第1領域に最も近い領域である第2領域との差圧が、前記第2ガス流路の上流端である第3領域と、前記第1ガス流路のうち前記第3領域に最も近い領域である第4領域との差圧より大きい、
ことを特徴とする燃料電池。 A membrane-electrode assembly;
A pair of gas diffusion layers sandwiching the membrane-electrode assembly;
A pair of separators sandwiching the pair of gas diffusion layers,
At least one of the pair of separators on the gas diffusion layer side surface, the upstream end is connected to the supply manifold and the downstream end is closed, and the upstream end is closed and the downstream end is closed. A groove-shaped second gas flow path connected to the discharge manifold,
The differential pressure between the first region which is the downstream end of the first gas channel and the second region which is the region closest to the first region of the second gas channel is the second gas channel. Greater than the differential pressure between the third region which is the upstream end and the fourth region which is the region closest to the third region in the first gas flow path,
The fuel cell characterized by the above-mentioned.
前記膜−電極接合体を挟持する一対のガス拡散層と、
前記一対のガス拡散層を挟持する一対のセパレータと、を備え、
前記一対のセパレータの少なくとも一方の前記ガス拡散層側の面において、上流端が供給マニホールドに接続され、下流端が閉塞された溝状の第1ガス流路と、上流端が閉塞され、下流端が排出マニホールドに接続された溝状の第2ガス流路と、
前記第1ガス流路の下流端である第1領域と、前記第2ガス流路のうち前記第1領域に最も近い領域である第2領域との差圧が、前記第2ガス流路の上流端である第3領域と、前記第1ガス流路のうち前記第3領域に最も近い領域である第4領域との差圧より大きくなるように制御する差圧制御手段と、
を備えることを特徴とする燃料電池。 A membrane-electrode assembly;
A pair of gas diffusion layers sandwiching the membrane-electrode assembly;
A pair of separators sandwiching the pair of gas diffusion layers,
At least one surface of the pair of separators on the gas diffusion layer side, the upstream end is connected to the supply manifold and the downstream end is closed, and the upstream end is closed and the downstream end is closed. A groove-shaped second gas flow path connected to the discharge manifold;
The differential pressure between the first region which is the downstream end of the first gas channel and the second region which is the region closest to the first region of the second gas channel is the second gas channel. Differential pressure control means for controlling to be greater than the differential pressure between the third region which is the upstream end and the fourth region which is the region closest to the third region in the first gas flow path;
A fuel cell comprising:
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