JP2011124185A - Polymer electrolyte fuel cell and fuel cell stack with the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、高分子電解質形燃料電池及びそれを備える燃料電池スタックの構成、特に、高分子電解質形燃料電池のセパレータの構成に関する。 The present invention relates to a structure of a polymer electrolyte fuel cell and a fuel cell stack including the same, and more particularly to a structure of a separator of a polymer electrolyte fuel cell.
近年、クリーンなエネルギー源として、燃料電池が注目されている。燃料電池としては、例えば、高分子電解質形燃料電池が挙げられる。高分子電解質形燃料電池(以下、PEFCという)は、膜−電極接合体と、この膜−電極接合体を挟みかつそれぞれアノード及びカソードに接触するように配置されたアノードセパレータ及びカソードセパレータとを備えている。膜−電極接合体は、それぞれガス拡散層及び触媒層からなるアノード及びカソード(これらを電極という)を備えている。ガス拡散層には、反応ガスの流通パスとなる細孔が存在する。アノードセパレータの一方の主面には、燃料ガス流路が形成されている。カソードセパレータの一方の主面には、酸化剤ガス流路が形成されている。燃料ガス流路からアノードに供給された燃料ガス(水素)はイオン化(H+)され、アノードのガス拡散層及び触媒層を通過し、高分子電解質膜中を水の介在によって通過して、カソード側に移動する。カソード側に到達した水素イオンは、カソードの触媒層において以下の発電反応により、水を生成する。 In recent years, fuel cells have attracted attention as clean energy sources. Examples of the fuel cell include a polymer electrolyte fuel cell. A polymer electrolyte fuel cell (hereinafter referred to as PEFC) includes a membrane-electrode assembly, and an anode separator and a cathode separator disposed so as to sandwich the membrane-electrode assembly and to be in contact with the anode and the cathode, respectively. ing. The membrane-electrode assembly includes an anode and a cathode (these are referred to as electrodes) each composed of a gas diffusion layer and a catalyst layer. The gas diffusion layer has pores that serve as a reaction gas flow path. A fuel gas flow path is formed on one main surface of the anode separator. An oxidant gas flow path is formed on one main surface of the cathode separator. The fuel gas (hydrogen) supplied from the fuel gas flow path to the anode is ionized (H + ), passes through the gas diffusion layer and the catalyst layer of the anode, passes through the polymer electrolyte membrane through the intervention of water, Move to the side. The hydrogen ions that have reached the cathode produce water in the catalyst layer of the cathode by the following power generation reaction.
アノード側:H2→2H++2e−
カソード側:(1/2)O2+2H++2e−→H2O
全反応:H2+(1/2)O2→H2O
生成された水(生成水)は、蒸気又は液体のまま、カソードセパレータに形成された酸化剤ガス流路に流れ込む。また、カソード側で生成された水の一部は、アノード側に移動して(いわゆる、逆拡散)、燃料ガス流路に流れ込む。酸化剤ガス流路又は燃料ガス流路に流れ込んだ生成水は、酸化剤ガス又は燃料ガスの流れに沿って、下流側に移動する。このため、電極内における局所的な水分量のばらつきが大きくなり、その結果、局所的な発電量のばらつきが大きくなる場合がある。
Anode side: H 2 → 2H + + 2e −
Cathode side: (1/2) O 2 + 2H + + 2e − → H 2 O
Total reaction: H 2 + (1/2) O 2 → H 2 O
The produced water (produced water) flows into the oxidant gas flow path formed in the cathode separator in the form of vapor or liquid. Further, part of the water generated on the cathode side moves to the anode side (so-called reverse diffusion) and flows into the fuel gas flow path. The produced water that has flowed into the oxidant gas flow path or the fuel gas flow path moves downstream along the flow of the oxidant gas or fuel gas. For this reason, the dispersion | variation in the local water content in an electrode becomes large, As a result, the dispersion | variation in local power generation amount may become large.
このような問題に対して、ガスが流入する第1流路と、ガスを排出する第2流路と、を備え、アノード側の第1流路とカソード側の第2流路とを電解質層を挟んで対向するように構成し、アノード側の第2流路とカソード側の第1流路とを電解質層を挟んで対向するように構成された燃料電池が知られている(例えば、特許文献1参照)。また、アノードガス通路とカソードガス通路とが電解質膜−電極接合体を挟んで対峙する位置関係で設けられ、かつアノードガスとカソードガスとがそれぞれ通路内を並行して流通するように構成された、固体高分子型燃料電池が知られている(例えば、特許文献2参照)。 In order to solve such a problem, the first flow path into which gas flows and the second flow path from which gas is discharged are provided, and the first flow path on the anode side and the second flow path on the cathode side are connected to the electrolyte layer. There is known a fuel cell that is configured to face each other with a second channel on the anode side and a first channel on the cathode side sandwiched by an electrolyte layer (for example, a patent) Reference 1). Further, the anode gas passage and the cathode gas passage are provided in a positional relationship facing each other with the electrolyte membrane-electrode assembly interposed therebetween, and the anode gas and the cathode gas are circulated in parallel in the passage. A polymer electrolyte fuel cell is known (see, for example, Patent Document 2).
特許文献1に開示されている燃料電池では、燃料ガスと酸化剤ガスの流れを、いわゆる対向流とし、流路を電解質層を挟んで互いに対向するように構成することで、ガス拡散層の水分量の多い領域同士や水分量の少ない領域同士が、電解質層を挟んで対向することが抑制され、その結果、電極における局所的な発電量のばらつきが大きくなることが抑制される。
In the fuel cell disclosed in
また、特許文献2に開示されている固体高分子型燃料電池では、カソードガスよりもアノードガスの方を高加湿にすることで、カソードガス通路の入口側付近では、アノードガス通路の入口側付近を通流するアノードガスから水分が拡散して、アノード電極側からカソード電極側に向かって移動し、一方、アノードガス通路の出口側付近では、水分がカソード電極側からアノード電極側に向かって移動するため、燃料電池全体の水分の給排制御を適正に行い、燃料電池の発電性能を良好に維持することができる。
Further, in the polymer electrolyte fuel cell disclosed in
しかしながら、特許文献1及び特許文献2に開示されている燃料電池においては、燃料電池を高温低加湿(例えば、反応ガスの露点を燃料電池スタック内の温度よりも低くする)の条件で運転すると、反応ガス流路の上流部では、上記反応が充分に行われていないので水が充分に生成されず、高分子電解質膜の反応ガス流路の上流部に対向する部分が、乾燥してイオン伝導性が低下し、発電効率が低下するという点で、未だ改善の余地があった。
However, in the fuel cells disclosed in
本発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、特に、高分子電解質形燃料電池を高温低加湿条件下で運転するような場合に、高分子電解質膜の劣化を抑制することができる高分子電解質形燃料電池及びそれを備える燃料電池スタックを提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems. In particular, when the polymer electrolyte fuel cell is operated under a high temperature and low humidity condition, the deterioration of the polymer electrolyte membrane is suppressed. It is an object of the present invention to provide a polymer electrolyte fuel cell capable of forming a fuel cell and a fuel cell stack including the same.
ところで、燃料電池の運転中においては、電極における反応ガス流路に面する部分の水分(液体及び気体の水)含有量が、電極における隣接する反応ガス流路間に形成されたリブ部に接触する部分の水分含有量に比べて低いことが知られている。図16は、燃料電池運転中における、電極の水分含有量を示す模式図である。 By the way, during the operation of the fuel cell, the moisture (liquid and gaseous water) content of the portion facing the reaction gas flow path in the electrode contacts the rib portion formed between adjacent reaction gas flow paths in the electrode. It is known that the water content of the portion to be reduced is low. FIG. 16 is a schematic diagram showing the moisture content of the electrode during fuel cell operation.
本発明者等は、上記従来技術の課題を解決するために鋭意検討を重ねた結果、以下の点を見出した。すなわち、図16に示すように、電極202における隣接する反応ガス流路203間に形成されたリブ部(セパレータの内面)204に接触する部分202Aに存在する水が、電極202における反応ガス流路203に面する部分202B側に拡散して、電極202のリブ部204と反応ガス流路203との境界近傍は、電極202の部分202Bの中央部分に対して、水分含有量が高くなっていることを見出した。換言すると、電極202のリブ部(セパレータの内面)204に接触する部分202Aから離れると水分含有量が少なくなることを見出した。そして、本発明者等は以下に記載する構成を採用することが、上記本発明の目的を達成する上で極めて有効であるということを見出し、本発明を想到した。
As a result of intensive studies to solve the above-described problems of the prior art, the present inventors have found the following points. That is, as shown in FIG. 16, the water present in the
すなわち、本発明に係る高分子電解質形燃料電池は、高分子電解質膜と該高分子電解質膜の周縁部より内方の部分を挟む一対の電極を有する膜−電極接合体と、板状で、前記膜−電極接合体の前記一対の電極のうち一方の電極と接触するように配設され、前記電極と接触する一方の主面に溝状の第1反応ガス流路が屈曲するように形成された導電性の第1セパレータと、板状で、前記膜−電極接合体前記一対の電極のうち他方の電極と接触するように配設され、前記電極と接触する一方の主面に溝状の第2反応ガス流路が屈曲するように形成された導電性の第2セパレータと、を備え、前記第1反応ガス流路は、前記第1セパレータの厚み方向から見て、前記第2反応ガス流路の上流端から最初に前記電極と重なる部分(以下、第2部分)から下流側の所定の部分までの領域(以下、第2特定領域)を迂回するように形成され、前記第2反応ガス流路の前記第2特定領域は、前記第1セパレータの厚み方向から見て、前記第1セパレータの前記一方の主面と重なるように形成されている。 That is, the polymer electrolyte fuel cell according to the present invention is a plate-like membrane-electrode assembly having a polymer electrolyte membrane and a pair of electrodes sandwiching the inner part from the peripheral edge of the polymer electrolyte membrane, The membrane-electrode assembly is disposed so as to be in contact with one of the pair of electrodes, and is formed so that a groove-like first reaction gas channel is bent on one main surface in contact with the electrode. A conductive first separator and a plate-like, membrane-electrode assembly disposed so as to be in contact with the other electrode of the pair of electrodes, and having a groove shape on one main surface in contact with the electrode A conductive second separator formed such that the second reaction gas flow path is bent, and the first reaction gas flow path is viewed from the thickness direction of the first separator. The first part that overlaps the electrode from the upstream end of the gas flow path (hereinafter referred to as the second part) The second specific region of the second reaction gas channel is formed so as to bypass a region (hereinafter referred to as a second specific region) to a predetermined portion on the downstream side, as viewed from the thickness direction of the first separator. The first separator is formed so as to overlap the one main surface.
ここで、第1反応ガス流路が、第2特定領域を迂回するように形成されているとは、第1反応ガス流路が、第1セパレータの厚み方向から見て、第2特定領域を避けるように形成されていることをいう。換言すると、第1反応ガス流路が、第1セパレータの厚み方向から見て、第2特定領域よりも上流側及び/又は下流側では、第2反応ガス流路と重なるように、かつ、第2特定領域とは重ならないように、形成されていることをいう。この場合、第1反応ガス流路は、第1セパレータの厚み方向から見て、第2特定領域を遠回りするように設けられていてもよく、第2特定領域を近道するように設けられていてもよい。そして、第1反応ガス流路が、第2特定領域を遠回りするように設けられているとは、第1反応ガス流路が、第2特定領域と重なるように形成されている場合に比して、第1反応ガス流路の流路の長さが、第2特定領域の流路の長さよりも長くなるように設けられていることをいう。また、第1反応ガス流路が、第2特定領域を近道するように設けられているとは、第1反応ガス流路が、第2特定領域と重なるように形成されている場合に比して、第1反応ガス流路の流路の長さが、第2特定領域の流路の長さよりも短くなるように設けられていることをいう。 Here, the first reactive gas flow path is formed so as to bypass the second specific area. When the first reactive gas flow path is viewed from the thickness direction of the first separator, the second specific area is It means being formed to avoid. In other words, the first reaction gas flow channel overlaps the second reaction gas flow channel on the upstream side and / or the downstream side of the second specific region as viewed from the thickness direction of the first separator, and 2 It means that it is formed so as not to overlap the specific region. In this case, the first reaction gas flow path may be provided so as to go around the second specific area when viewed from the thickness direction of the first separator, and is provided so as to shortcut the second specific area. Also good. The fact that the first reaction gas flow path is provided so as to go around the second specific area is compared to the case where the first reaction gas flow path is formed so as to overlap the second specific area. Thus, the length of the flow path of the first reaction gas flow path is set to be longer than the length of the flow path of the second specific region. Also, the fact that the first reactive gas flow path is provided so as to shortcut the second specific area is compared to the case where the first reactive gas flow path is formed so as to overlap the second specific area. In other words, the length of the flow path of the first reaction gas flow path is set to be shorter than the length of the flow path of the second specific region.
上述したように、電極における第2反応ガス流路に面する部分の水分含有量は、電極におけるリブ部に接触する部分の水分含有量に比べて低くなるが、本発明においては、第1反応ガス流路は、第1セパレータの厚み方向から見て、第2反応ガス流路の第2特定領域を迂回するように形成され、第2反応ガス流路の第2特定領域は、第1セパレータの厚み方向から見て、第1セパレータの電極と接触している主面と重なるように形成されている。 As described above, the moisture content of the portion of the electrode facing the second reaction gas channel is lower than the moisture content of the portion of the electrode that contacts the rib portion, but in the present invention, the first reaction is performed. The gas flow path is formed so as to bypass the second specific area of the second reaction gas flow path when viewed from the thickness direction of the first separator, and the second specific area of the second reaction gas flow path is defined by the first separator. As seen from the thickness direction of the first separator, the first separator is formed so as to overlap with the main surface in contact with the electrode of the first separator.
すなわち、本発明に係る高分子電解質形燃料電池では、一方の電極における第2反応ガス流路の第2特定領域に面する部分(以下、一方の電極の流路対向部分)と、他方の電極における第1セパレータの主面と接触する部分(以下、他方の電極の主面対向部分)と、が、第1セパレータの厚み方向から見て、重なるように構成されている。このため、水分含有量が少ない一方の電極の流路対向部分には、水分含有量が多い他方の電極の主面対向部分から水が移動するため、高分子電解質膜の第2反応ガス流路の第2特定領域に対向する部分の乾燥を抑制することができる。その結果、本発明に係る高分子電解質形燃料電池を、特に、高温低加湿の条件で運転するような場合に、高分子電解質膜における第2反応ガス流路の第2特定領域に対向する部分の乾燥を抑制することができ、高分子電解質膜の劣化を抑制することができる。 That is, in the polymer electrolyte fuel cell according to the present invention, the portion facing the second specific region of the second reaction gas flow channel in one electrode (hereinafter, the flow channel facing portion of one electrode) and the other electrode The portion in contact with the main surface of the first separator (hereinafter, the main surface facing portion of the other electrode) is configured to overlap when viewed from the thickness direction of the first separator. For this reason, since water moves from the main surface facing portion of the other electrode having a high water content to the flow channel facing portion of the one electrode having a low water content, the second reactive gas flow channel of the polymer electrolyte membrane Drying of the part facing the second specific region can be suppressed. As a result, when the polymer electrolyte fuel cell according to the present invention is operated under conditions of high temperature and low humidity, the portion facing the second specific region of the second reaction gas channel in the polymer electrolyte membrane. Drying can be suppressed, and deterioration of the polymer electrolyte membrane can be suppressed.
また、本発明に係る高分子電解質形燃料電池では、前記第1反応ガス流路は、前記第1セパレータの厚み方向から見て、前記第2特定領域よりも外側に迂回するように形成され、前記第2反応ガス流路の前記第2特定領域は、前記第1セパレータの厚み方向から見て、前記第1反応ガス流路の間に形成された第1リブ部と重なるように形成されていてもよい。 Further, in the polymer electrolyte fuel cell according to the present invention, the first reaction gas flow path is formed so as to detour outside the second specific region as seen from the thickness direction of the first separator, The second specific region of the second reaction gas channel is formed so as to overlap with a first rib portion formed between the first reaction gas channels when viewed from the thickness direction of the first separator. May be.
また、本発明に係る高分子電解質形燃料電池では、前記第1反応ガス流路は、前記第1セパレータの厚み方向から見て、該第1反応ガス流路の迂回するように形成された部分が前記第2反応ガス流路と交差するように形成されていてもよい。 Further, in the polymer electrolyte fuel cell according to the present invention, the first reaction gas channel is formed so as to bypass the first reaction gas channel when viewed from the thickness direction of the first separator. May be formed so as to intersect the second reaction gas flow path.
また、本発明に係る高分子電解質形燃料電池は、前記第1反応ガス流路は、前記第1セパレータの厚み方向から見て、前記第2反応ガス流路の前記第2特定領域よりも内側に迂回するように形成されていてもよい。 Further, in the polymer electrolyte fuel cell according to the present invention, the first reaction gas channel is located inside the second specific region of the second reaction gas channel when viewed from the thickness direction of the first separator. It may be formed so as to make a detour.
また、本発明に係る高分子電解質形燃料電池では、前記第2特定領域は、前記第2部分から前記第2反応ガス流路の幅と前記第2反応ガス流路の間に形成された第2リブ部の幅との和に相当する長さまでの範囲の部分で構成されていてもよい。 In the polymer electrolyte fuel cell according to the present invention, the second specific region is formed between the second portion and a width of the second reaction gas channel and the second reaction gas channel. You may be comprised in the part of the range to the length equivalent to the sum with the width | variety of 2 rib part.
また、本発明に係る高分子電解質形燃料電池では、前記第2特定領域は、前記第2部分から前記第2反応ガス流路の幅に相当する長さまでの範囲の部分で構成されていてもよい。 In the polymer electrolyte fuel cell according to the present invention, the second specific region may be configured by a portion ranging from the second portion to a length corresponding to the width of the second reactive gas flow channel. Good.
また、本発明に係る高分子電解質形燃料電池では、前記第2セパレータの前記一方の主面には、複数の前記第2反応ガス流路が形成されており、前記第2特定領域は、前記第2部分から前記複数の第2反応ガス流路の幅の和と前記複数の第2反応ガス流路の間に形成された複数の第2リブ部の幅の和との和に相当する長さまでの範囲の部分で構成されていてもよい。 In the polymer electrolyte fuel cell according to the present invention, a plurality of the second reaction gas flow paths are formed on the one main surface of the second separator, and the second specific region is A length corresponding to the sum of the sum of the widths of the plurality of second reaction gas passages from the second portion and the sum of the widths of the plurality of second rib portions formed between the plurality of second reaction gas passages. You may be comprised in the part of the range up to.
また、本発明に係る高分子電解質形燃料電池では、前記第2セパレータの前記一方の主面には、複数の前記第2反応ガス流路が形成されており、前記第2特定領域は、前記第2部分から前記複数の第2反応ガス流路の幅の和に相当する長さまでの範囲の部分で構成されていてもよい。 In the polymer electrolyte fuel cell according to the present invention, a plurality of the second reaction gas flow paths are formed on the one main surface of the second separator, and the second specific region is You may be comprised by the part of the range from the 2nd part to the length corresponded to the sum total of the width | variety of a said some 2nd reaction gas flow path.
また、本発明に係る高分子電解質形燃料電池では、前記第1セパレータの前記一方の主面には、複数の前記第1反応ガス流路が形成されており、前記複数の第1反応ガス流路のうち、最も外側に位置する前記第1反応ガス流路が、前記第1セパレータの厚み方向から見て、前記第2反応ガス流路の第2特定領域を迂回するように形成されていてもよい。 In the polymer electrolyte fuel cell according to the present invention, a plurality of first reaction gas flow paths are formed on the one main surface of the first separator, and the plurality of first reaction gas flows. The first reaction gas flow channel located on the outermost side of the passage is formed so as to bypass the second specific region of the second reaction gas flow channel when viewed from the thickness direction of the first separator. Also good.
また、本発明に係る高分子電解質形燃料電池では、前記第2反応ガス流路は、前記第1セパレータの厚み方向から見て、前記第1反応ガス流路の上流端から最初に前記電極と重なる部分(以下、第1部分)から下流側の所定の部分までの領域(以下、第1特定領域)を迂回するように形成され、前記第1反応ガス流路の前記第1特定領域は、前記第1セパレータの厚み方向から見て、前記第2セパレータの前記一方の主面と重なるように形成されていてもよい。ここで、第2反応ガス流路が、第1特定領域を迂回するように形成されているとは、第2反応ガス流路が、第1セパレータの厚み方向から見て、第1特定領域を避けるように設けられていることをいう。この場合、第2反応ガス流路は、第1セパレータの厚み方向から見て、第1特定領域を遠回りするように設けられていてもよく、第1特定領域を近道するように設けられていてもよい。 Further, in the polymer electrolyte fuel cell according to the present invention, the second reaction gas flow path is first connected to the electrode from the upstream end of the first reaction gas flow path when viewed from the thickness direction of the first separator. It is formed so as to bypass a region (hereinafter referred to as a first specific region) from an overlapping portion (hereinafter referred to as a first portion) to a predetermined portion on the downstream side, and the first specific region of the first reactive gas flow path is You may form so that it may overlap with the one said main surface of the said 2nd separator seeing from the thickness direction of the said 1st separator. Here, the second reactive gas flow path is formed so as to bypass the first specific area. When the second reactive gas flow path is viewed from the thickness direction of the first separator, the first specific area is It means that it is provided to avoid. In this case, the second reaction gas channel may be provided so as to go around the first specific region as viewed from the thickness direction of the first separator, and is provided so as to shortcut the first specific region. Also good.
上述したように、電極における第1反応ガス流路に面する部分の水分含有量は、電極におけるリブ部に接触する部分の水分含有量に比べて低くなるが、本発明においては、第2反応ガス流路は、第1セパレータの厚み方向から見て、第1反応ガス流路の第1特定領域を迂回するように形成され、第1反応ガス流路の第1特定領域は、第1セパレータの厚み方向から見て、第2セパレータの電極と接触している主面と重なるように形成されている。 As described above, the moisture content of the portion facing the first reaction gas flow path in the electrode is lower than the moisture content of the portion in contact with the rib portion of the electrode, but in the present invention, the second reaction is performed. The gas flow path is formed so as to bypass the first specific area of the first reaction gas flow path when viewed from the thickness direction of the first separator, and the first specific area of the first reaction gas flow path is defined by the first separator. As seen from the thickness direction, the main surface is in contact with the electrode of the second separator.
すなわち、本発明に係る高分子電解質形燃料電池では、他方の電極における第1反応ガス流路の第1特定領域に面する部分(以下、他方の電極の流路対向部分)と、一方の電極における第2セパレータの主面と接触する部分(以下、一方の電極の主面対向部分)と、が、第1セパレータの厚み方向から見て、重なるように構成されている。このため、水分含有量が少ない他方の電極の流路対向部分には、水分含有量が多い一方の電極の主面対向部分から水が移動するため、高分子電解質膜の第1反応ガス流路の第1特定領域に対向する部分の乾燥を抑制することができる。その結果、本発明に係る高分子電解質形燃料電池を、特に、高温低加湿の条件で運転するような場合に、高分子電解質膜における第1反応ガス流路の第1特定領域に対向する部分の乾燥を抑制することができ、高分子電解質膜の劣化を抑制することができる。 That is, in the polymer electrolyte fuel cell according to the present invention, the portion facing the first specific region of the first reaction gas flow channel in the other electrode (hereinafter, the flow channel facing portion of the other electrode) and the one electrode The portion in contact with the main surface of the second separator (hereinafter, the main surface facing portion of one electrode) is configured to overlap when viewed from the thickness direction of the first separator. For this reason, since water moves from the main surface facing portion of one electrode having a high water content to the flow channel facing portion of the other electrode having a low water content, the first reactive gas flow channel of the polymer electrolyte membrane Drying of the part facing the first specific region can be suppressed. As a result, when the polymer electrolyte fuel cell according to the present invention is operated particularly under conditions of high temperature and low humidity, a portion of the polymer electrolyte membrane facing the first specific region of the first reaction gas channel Drying can be suppressed, and deterioration of the polymer electrolyte membrane can be suppressed.
また、本発明の高分子電解質形燃料電池では、前記第2反応ガス流路は、前記第1セパレータの厚み方向から見て、前記第1特定領域よりも外側に迂回するように形成され、前記第1反応ガス流路の前記第1特定領域は、前記第1セパレータの厚み方向から見て、前記第2反応ガス流路の間に形成された第2リブ部と重なるように形成されていてもよい。 In the polymer electrolyte fuel cell of the present invention, the second reaction gas channel is formed so as to detour outside the first specific region when viewed from the thickness direction of the first separator, The first specific region of the first reaction gas channel is formed so as to overlap with a second rib portion formed between the second reaction gas channels as viewed from the thickness direction of the first separator. Also good.
また、本発明の高分子電解質形燃料電池では、前記第2反応ガス流路は、前記第1セパレータの厚み方向から見て、該第2反応ガス流路の迂回するように形成された部分が前記第1反応ガス流路と交差するように形成されていてもよい。 In the polymer electrolyte fuel cell of the present invention, the second reaction gas flow path has a portion formed so as to bypass the second reaction gas flow path when viewed from the thickness direction of the first separator. You may form so that the said 1st reaction gas flow path may be crossed.
また、本発明の高分子電解質形燃料電池では、前記第2反応ガス流路は、前記第1セパレータの厚み方向から見て、前記第1反応ガス流路の前記第1特定領域よりも内側に迂回するように形成されていてもよい。 In the polymer electrolyte fuel cell of the present invention, the second reaction gas flow path is located on the inner side of the first specific region of the first reaction gas flow path when viewed from the thickness direction of the first separator. You may form so that it may detour.
また、本発明の高分子電解質形燃料電池では、前記第1特定領域は、前記第1部分から前記第1反応ガス流路の幅と前記第1反応ガス流路の間に形成された第1リブ部の幅との和に相当する長さまでの範囲の部分で構成されていてもよい。 In the polymer electrolyte fuel cell of the present invention, the first specific region is a first region formed between the first portion and a width of the first reaction gas channel and the first reaction gas channel. You may be comprised in the part of the range to the length equivalent to the sum with the width | variety of a rib part.
また、本発明の高分子電解質形燃料電池では、前記第1特定領域は、前記第1部分から前記第1反応ガス流路の幅に相当する長さまでの範囲の部分で構成されていてもよい。 In the polymer electrolyte fuel cell of the present invention, the first specific region may be configured by a portion ranging from the first portion to a length corresponding to the width of the first reactive gas flow channel. .
また、本発明の高分子電解質形燃料電池では、前記第1セパレータの前記一方の主面には、複数の前記第1反応ガス流路が形成されており、前記第1特定領域は、前記第1部分から前記複数の第1反応ガス流路の幅の和と前記複数の第1反応ガス流路の間に形成された複数の第1リブ部の幅の和との和に相当する長さまでの範囲の部分で構成されていてもよい。 In the polymer electrolyte fuel cell of the present invention, a plurality of the first reaction gas flow paths are formed on the one main surface of the first separator, and the first specific region is the first specific region. From one portion to a length corresponding to the sum of the sum of the widths of the plurality of first reaction gas channels and the sum of the widths of the plurality of first rib portions formed between the plurality of first reaction gas channels It may be composed of a part of the range.
また、本発明に係る高分子電解質形燃料電池では、前記第1セパレータの前記一方の主面には、複数の前記第1反応ガス流路が形成されており、前記第1特定領域は、前記第1部分から前記複数の第1反応ガス流路の幅の和に相当する長さまでの範囲の部分で構成されていてもよい。 In the polymer electrolyte fuel cell according to the present invention, a plurality of the first reaction gas flow paths are formed on the one main surface of the first separator, and the first specific region is You may be comprised by the part of the range from the 1st part to the length equivalent to the sum of the width | variety of a said some 1st reaction gas flow path.
また、本発明に係る高分子電解質形燃料電池では、前記第2セパレータの前記一方の主面には、複数の前記第2反応ガス流路が形成されており、前記複数の第2反応ガス流路のうち、最も外側に位置する前記第2反応ガス流路が、前記第1セパレータの厚み方向から見て、前記第1反応ガス流路の第1特定領域を迂回するように形成されていてもよい。 In the polymer electrolyte fuel cell according to the present invention, a plurality of second reaction gas flow paths are formed on the one main surface of the second separator, and the plurality of second reaction gas flows. The second reaction gas flow channel located on the outermost side of the path is formed so as to bypass the first specific region of the first reaction gas flow channel when viewed from the thickness direction of the first separator. Also good.
また、本発明に係る高分子電解質形燃料電池では、前記第1セパレータの他方の主面及び/又は前記第2セパレータの他方の主面には、溝状の冷却媒体流路が形成されており、
前記第1反応ガス流路を通流する第1反応ガス及び前記第2反応ガス流路を通流する第2反応ガスの露点が、前記冷却媒体流路を通流する冷却媒体の温度よりも低くてもよい。
In the polymer electrolyte fuel cell according to the present invention, a groove-like cooling medium flow path is formed on the other main surface of the first separator and / or the other main surface of the second separator. ,
The dew point of the first reaction gas flowing through the first reaction gas flow channel and the second reaction gas flowing through the second reaction gas flow channel are lower than the temperature of the cooling medium flowing through the cooling medium flow channel. It may be low.
また、本発明に係る高分子電解質形燃料電池では、前記第1反応ガス流路及び/又は前記第2反応ガス流路が、サーペンタイン状に形成されていてもよい。 In the polymer electrolyte fuel cell according to the present invention, the first reaction gas channel and / or the second reaction gas channel may be formed in a serpentine shape.
さらに、本発明に係る高分子電解質形燃料電池では、前記第1反応ガス流路と前記第2反応ガス流路は、並行流となるように形成されていてもよい。 Furthermore, in the polymer electrolyte fuel cell according to the present invention, the first reaction gas channel and the second reaction gas channel may be formed in parallel flow.
また、本発明に係る燃料電池スタックは、複数の前記高分子電解質形燃料電池が積層して締結されている。 In the fuel cell stack according to the present invention, a plurality of the polymer electrolyte fuel cells are stacked and fastened.
これにより、本発明に係る燃料電池スタックは、上記本発明に係る高分子電解質形燃料電池を備えているため、特に、本発明に係る燃料電池スタックを高温低加湿の条件で運転するような場合に、高分子電解質膜の劣化を抑制することができる。 Thereby, since the fuel cell stack according to the present invention includes the polymer electrolyte fuel cell according to the present invention, the fuel cell stack according to the present invention is operated particularly under a condition of high temperature and low humidity. Furthermore, deterioration of the polymer electrolyte membrane can be suppressed.
本発明の高分子電解質形燃料電池及びそれを備える燃料電池スタックによれば、高温低加湿の条件で運転した場合に、高分子電解質膜の乾燥を抑制し、これにより、高分子電解質膜の劣化を抑制することが可能となる。 According to the polymer electrolyte fuel cell and the fuel cell stack including the same according to the present invention, drying of the polymer electrolyte membrane is suppressed when operated under conditions of high temperature and low humidity, thereby deteriorating the polymer electrolyte membrane. Can be suppressed.
以下、本発明の好ましい実施の形態を、図面を参照しながら説明する。なお、全ての図面において、同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する。また、本発明は、以下の実施の形態に限定されない。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In all the drawings, the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted. Further, the present invention is not limited to the following embodiment.
(実施の形態1)
[燃料電池スタックの構成]
図1は、本発明の実施の形態1に係る燃料電池スタックの概略構成を模式的に示す斜視図である。なお、図1において、燃料電池スタックの上下方向を図における上下方向として表している。
(Embodiment 1)
[Configuration of fuel cell stack]
FIG. 1 is a perspective view schematically showing a schematic configuration of a fuel cell stack according to
図1に示すように、本発明の実施の形態1に係る燃料電池スタック61は、板状の全体形状を有する高分子電解質形燃料電池(以下、単に燃料電池という)100がその厚み方向に積層されてなるセル積層体62と、セル積層体62の両端に配置された第1及び第2の端板63、64と、セル積層体62と第1及び第2の端板63、64とを燃料電池100の積層方向において締結する図示されない締結具と、を有している。また、第1及び第2の端板63、64には、集電板及び絶縁板がそれぞれ配設されているが図示を省略している。なお、板状の燃料電池100は、鉛直面に平行に延在しており、燃料電池100の積層方向は水平方向となっている。
As shown in FIG. 1, a
セル積層体62における一方の側部(図面左側の側部:以下、第1の側部という)の上部には、該セル積層体62の燃料電池100の積層方向に貫通するように、酸化剤ガス供給マニホールド133が設けられており、その下部には、冷却媒体排出マニホールド136が設けられている。また、セル積層体62の第1の側部の酸化剤ガス供給マニホールド133が配設されている上部の内側には、該セル積層体62の燃料電池100の積層方向に貫通するように、冷却媒体供給マニホールド135が設けられており、同様に、冷却媒体排出マニホールド136が配設されている下部の内側には、該セル積層体62の燃料電池100の積層方向に貫通するように、燃料ガス排出マニホールド132が設けられている。さらに、セル積層体62における他方の側部(図面右側の側部:以下、第2の側部)の上部には、該セル積層体62の燃料電池100の積層方向に貫通するように、燃料ガス供給マニホールド131が設けられており、その下部には、該セル積層体62の燃料電池100の積層方向に貫通するように、酸化剤ガス排出マニホールド134が設けられている。
An oxidant is passed through an upper portion of one side portion (left side portion of the drawing: hereinafter referred to as a first side portion) of the
そして、それぞれのマニホールドには、適宜な配管が設けられている。これにより、適宜な配管を介して、燃料電池スタック61に燃料ガス、酸化剤ガス、及び冷却媒体が供給され、排出される。
Each manifold is provided with appropriate piping. As a result, the fuel gas, the oxidant gas, and the cooling medium are supplied to the
[高分子電解質形燃料電池の構成]
次に、本発明の実施の形態1に係る高分子電解質形燃料電池の構成について図2を参照しながら説明する。
[Configuration of polymer electrolyte fuel cell]
Next, the configuration of the polymer electrolyte fuel cell according to
図2は、図1に示す燃料電池スタック61における燃料電池100の概略構成を模式的に示す断面図である。
FIG. 2 is a cross-sectional view schematically showing a schematic configuration of the
図2に示すように、本実施の形態1に係る燃料電池100は、MEA(Membrane−Electrode−Assembly:膜−電極接合体)5と、ガスケット7と、アノードセパレータ6Aと、カソードセパレータ6Bと、を備えている。
As shown in FIG. 2, the
MEA5は、水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜1と、アノード電極4Aと、カソード電極4Bと、を有している。高分子電解質膜1は、略4角形(ここでは、矩形)の形状を有しており、高分子電解質膜1の両面には、その周縁部より内方に位置するようにアノード電極4Aとカソード電極4Bがそれぞれ設けられている。なお、高分子電解質膜1の周縁部には、冷却媒体供給マニホールド孔35、冷却媒体排出マニホールド孔36等の各マニホールド孔が厚み方向に貫通するように設けられている。
The
アノード電極4Aは、高分子電解質膜1の一方の主面上に設けられ、白金系金属触媒(電極触媒)を担持したカーボン粉末(導電性炭素粒子)からなる触媒担持カーボンと触媒担持カーボンに付着した高分子電解質を含むアノード触媒層2Aと、アノード触媒層2Aの上に設けられ、ガス通気性と導電性を兼ね備えたアノードガス拡散層3Aと、を有している。同様に、カソード電極4Bは、高分子電解質膜1の他方の主面上に設けられ、白金系金属触媒(電極触媒)を担持したカーボン粉末(導電性炭素粒子)からなる触媒担持カーボンと触媒担持カーボンに付着した高分子電解質を含むカソード触媒層2Bと、カソード触媒層2Bの上に設けられ、ガス通気性と導電性を兼ね備えたカソードガス拡散層3Bと、を有している。
The
また、MEA5のアノード電極4A及びカソード電極4B(正確には、アノードガス拡散層3A及びカソードガス拡散層3B)の周囲には、高分子電解質膜1を挟んで一対のフッ素ゴム製でドーナツ状のガスケット7が配設されている。これにより、燃料ガスや酸化剤ガスが電池外にリークされることが防止され、また、燃料電池100内でこれらのガスが互いに混合されることが防止される。なお、ガスケット7の周縁部には、厚み方向の貫通孔からなる冷却媒体供給マニホールド孔35、冷却媒体排出マニホールド孔36等の各マニホールド孔が設けられている。
In addition, around the
また、MEA5とガスケット7を挟むように、導電性のアノードセパレータ(第1セパレータ)6Aとカソードセパレータ(第2セパレータ)6Bが配設されている。これにより、MEA5が機械的に固定され、複数の燃料電池100をその厚み方向に積層したときには、MEA5が電気的に接続される。なお、これらのセパレータ6A、6Bは、熱伝導性及び導電性に優れた金属、黒鉛、又は、黒鉛と樹脂を混合したものを使用することができ、例えば、カーボン粉末とバインダー(溶剤)との混合物を射出成形により作製したものやチタンやステンレス鋼製の板の表面に金メッキを施したものを使用することができる。
Further, a conductive anode separator (first separator) 6A and a cathode separator (second separator) 6B are disposed so as to sandwich the
アノードセパレータ6Aのアノード電極4Aと接触する一方の主面(以下、内面という)には、燃料ガスが通流するための溝状の燃料ガス流路(第1反応ガス流路)8が設けられており、また、他方の主面(以下、外面という)には、冷却媒体が通流するための溝状の冷却媒体流路10が設けられている。同様に、カソードセパレータ6Bのカソード電極4Bと接触する一方の主面(以下、内面という)には、酸化剤ガスが通流するための溝状の酸化剤ガス流路(第2反応ガス流路)9が設けられており、また、他方の主面(以下、外面という)には、冷却媒体が通流するための溝状の冷却媒体流路10が設けられている。
A groove-like fuel gas flow path (first reaction gas flow path) 8 through which fuel gas flows is provided on one main surface (hereinafter referred to as an inner surface) of the
これにより、アノード電極4A及びカソード電極4Bには、それぞれ燃料ガス及び酸化剤ガスが供給され、これらのガスが反応して電気と熱が発生する。また、水や不凍液(例えば、エチレングリーコール含有液)等の冷却媒体を冷却媒体流路10に通流させることにより、発生した熱の回収が行われる。
Thereby, fuel gas and oxidant gas are supplied to the
なお、このように構成された燃料電池100を単電池(セル)として使用してもよく、燃料電池100を複数積層して燃料電池スタック61として使用してもよい。また、燃料電池100を積層する場合には、冷却媒体流路10を単電池2〜3個ごとに設ける構成としてもよい。さらに、単電池間に冷却媒体流路10を設けない場合には、2つのMEA5に挟まれたセパレータを、一方の主面に燃料ガス流路8を設け、他方の主面に酸化剤ガス流路9を設けた、アノードセパレータ6Aとカソードセパレータ6Bを兼ねるセパレータを使用してもよい。
The
[セパレータの構成]
次に、カソードセパレータ6B及びアノードセパレータ6Aについて、図2乃至図4を参照しながら詳細に説明する。
[Composition of separator]
Next, the
図3は、図2に示す燃料電池100のカソードセパレータ6Bの概略構成を示す模式図である。また、図4は、図2に示す燃料電池100のアノードセパレータ6Aの概略構成を示す模式図である。なお、図3及び図4において、カソードセパレータ6B及びアノードセパレータ6Aにおける上下方向を図における上下方向として表している。また、図4においては、酸化剤ガス流路9の一部を仮想線(二点鎖線)で示している。
FIG. 3 is a schematic diagram showing a schematic configuration of the
まず、カソードセパレータ6Bの構成について、図2及び図3を参照しながら詳細に説明する。
First, the configuration of the
図3に示すように、カソードセパレータ6Bは、板状で、略4角形(ここでは、矩形)に形成されており、その周縁部には、燃料ガス供給マニホールド孔31等の各マニホールド孔が、厚み方向に貫通するように設けられている。具体的には、カソードセパレータ6Bにおける一方の側部(以下、第1の側部という)の上部には、酸化剤ガス供給マニホールド孔(第2反応ガス供給マニホールド孔)33が設けられており、その下部には、冷却媒体排出マニホールド孔36が設けられている。また、第1の側部の酸化剤ガス供給マニホールド孔33が配設されている上部の内側には、冷却媒体供給マニホールド孔35が設けられており、同様に、冷却媒体排出マニホールド孔36が配設されている下部の内側には、燃料ガス排出マニホールド孔32が設けられている。さらに、カソードセパレータ6Bにおける他方の側部(以下、第2の側部)の上部には、燃料ガス供給マニホールド孔(第1反応ガス供給マニホールド孔)31が設けられており、その下部には、酸化剤ガス排出マニホールド孔34が設けられている。なお、燃料ガス供給マニホールド孔31と酸化剤ガス供給マニホールド孔33は、中心線Cを挟んで互いに対向するように設けられている。
As shown in FIG. 3, the
そして、図2及び図3に示すように、カソードセパレータ6Bの内面には、溝状の酸化剤ガス流路9が、酸化剤ガス供給マニホールド孔33と酸化剤ガス排出マニホールド孔34とを結ぶようにサーペンタイン状に形成されている。ここでは、酸化剤ガス流路9は、1つの溝で構成されており、該溝は、直線部9aと折り返し部9bとで実質的に構成されている。
As shown in FIGS. 2 and 3, a groove-like oxidant
具体的には、酸化剤ガス流路9を構成する溝は、酸化剤ガス供給マニホールド孔33から第2の側部に向かって水平方向にある距離延び、そこから、下方にある距離延びている。そして、その到達点から、第1の側部に向かって水平方向にある距離延び、そこから、下方にある距離延びている。そして、上記延在パターンを2回繰り返し、そこから、第2の側部に向かって水平方向にある距離延び、その到達点から、酸化剤ガス排出マニホールド孔34に到るように下方に延びている。このような、酸化剤ガス流路9の水平方向に延びる部分が直線部9aを構成し、下方に延びる部分が折り返し部9bを構成している。そして、図2及び図3に示すように、酸化剤ガス流路9を構成する溝(正確には、直線部9a)と溝(正確には、直線部9a)との間の部分が、カソード電極4Bと当接する第2リブ部12を形成する。
Specifically, the groove constituting the oxidant
また、酸化剤ガス流路9は、第2部分42を有している。第2部分42は、アノードセパレータ6Aの厚み方向から見て、酸化剤ガス流路9の上流端から最初にカソード電極4Bと接触する部分である。さらに、酸化剤ガス流路9は、第2部分42を含む第2特定領域52(図3において、ハッチングした部分)を有する。第2特定領域52は、本実施の形態1においては、第2部分42から下流側の所定の部分までの領域で構成されている。具体的には、第2特定領域52の下流端は、第2部分42から下流側に所定の距離N2延びた部分である。
Further, the oxidant
ここで、所定の距離N2は、燃料ガス及び酸化剤ガス(以下、これらを反応ガスという)の露点、冷却媒体の温度等、及び燃料ガス流路8や酸化剤ガス流路9の幅寸法等の構成等によって異なるが、高分子電解質膜1の劣化を抑制する観点から、酸化剤ガス流路9の幅の長さと後述する第2リブ部12の幅の長さの和に相当する長さ以下であってもよく、酸化剤ガス流路9の幅に相当する長さ以下であってもよい。なお、第2リブ部12の幅の長さとは、第2リブ部12を形成する溝(正確には、直線部9a)と溝(正確には、直線部9a)の間の長さをいう。また、酸化剤ガス流路9の幅とは、酸化剤ガスが、酸化剤ガス流路9を通流する方向に対して、垂直な方向の長さをいう。
Here, the predetermined distance N2 is the dew point of the fuel gas and the oxidant gas (hereinafter referred to as the reaction gas), the temperature of the cooling medium, and the width dimensions of the
なお、本実施の形態1においては、酸化剤ガス流路9は、1本の溝で形成したが、これに限定されず、複数の溝をカソードセパレータ6Bの内面に形成して、複数の酸化剤ガス流路群を形成してもよい。この場合、各酸化剤ガス流路9を構成する溝(正確には、直線部9a)と溝(正確には、直線部9a)との間の部分が、第2リブ部12を形成する。
In the first embodiment, the oxidant
次に、アノードセパレータ6Aの構成について、図2及び図4を参照しながら詳細に説明する。
Next, the configuration of the
図2及び図4に示すように、アノードセパレータ6Aは、板状で、略4角形(ここでは、矩形)に形成されており、その周縁部には、燃料ガス供給マニホールド孔31等の各マニホールド孔が、厚み方向に貫通するように設けられている。なお、各マニホールド孔の配置は、カソードセパレータ6Bと同じなので、その詳細な説明は省略する。
As shown in FIGS. 2 and 4, the anode separator 6 </ b> A is plate-shaped and is formed in a substantially quadrangular shape (here, a rectangle), and each manifold such as the fuel gas
アノードセパレータ6Aの内面には、溝状の燃料ガス流路8が、燃料ガス供給マニホールド孔31と燃料ガス排出マニホールド孔32とを結ぶようにサーペンタイン状に形成されている。燃料ガス流路8と酸化剤ガス流路9は、いわゆる並行流となるように構成されている。ここで、並行流とは、燃料ガス流路8と酸化剤ガス流路9は、一部に酸化剤ガスと燃料ガスが互いに対向するように流れる部分を有するが、燃料電池100の厚み方向から見て、巨視的に(全体として)酸化剤ガスと燃料ガスの上流から下流への全体的な流れの方向が互いに一致するように構成されていることをいう。
On the inner surface of the
また、図4に示すように、燃料ガス流路8は、ここでは、1つの溝で構成されており、該溝は、直線部8aと折り返し部8bとで実質的に構成されている。具体的には、燃料ガス流路8を構成する溝は、燃料ガス供給マニホールド孔31から第1の側部に向かって水平方向にある距離延び、そこから、下方にある距離延びている。そして、その到達点から、第2の側部に向かって水平方向にある距離延び、そこから、下方にある距離延びている。そして、上記のような延在パターンを2回繰り返し、そこから、第1の側部に向かって水平方向にある距離延び、その到達点から、燃料ガス排出マニホールド孔32に到るように下方に延びている。このような、燃料ガス流路8の水平方向に延びる部分が直線部8aを構成し、下方に延びる部分が折り返し部8bを構成している。なお、燃料ガス流路8を構成する溝(正確には、直線部8a)と溝(正確には、直線部8a)との間の部分が、アノード6Aと当接する第1リブ部11を形成する。
In addition, as shown in FIG. 4, the fuel
そして、図2及び図4に示すように、燃料ガス流路8の直線部8aと酸化剤ガス流路9の直線部9aは、酸化剤ガス流路9の第2特定領域52を除いて、アノードセパレータ6Aの厚み方向から見て、互いに重なり合うように形成されている。すなわち、燃料ガス流路8は、アノードセパレータ6Aの厚み方向から見て、第2特定領域52を迂回するように形成されている。逆に言えば、燃料ガス流路8は、アノードセパレータ6Aの厚み方向から見て、酸化剤ガス流路9の第2特定領域52とは重ならないように形成されている。ここで、燃料ガス流路8が、第2特定領域52を迂回するように形成されているとは、燃料ガス流路8が、アノードセパレータ6Aの厚み方向から見て、第2特定領域52を避けるように設けられていることをいう。なお、本実施の形態1においては、燃料ガス流路8の直線部8aと酸化剤ガス流路9の直線部9aは、酸化剤ガス流路9の第2特定領域52を除いて、アノードセパレータ6Aの厚み方向から見て、互いに重なり合うように形成さしたが、これに限定されず、本発明の作用効果を奏する範囲内で、燃料ガス流路8の直線部8aと酸化剤ガス流路9の直線部9aは、酸化剤ガス流路9の第2特定領域52を除いて、アノードセパレータ6Aの厚み方向から見て、その一部が重なり合うように(上下方向にずれるように)形成されていてもよく、また、互いに重なり合わない部分を有するように形成されていてもよい。
2 and 4, the
本実施の形態1では、燃料ガス流路8が、第2特定領域52よりも外側に迂回するように形成されている。具体的には、燃料ガス流路8の第2特定領域52を迂回する部分(以下、迂回部分)81は、アノードセパレータ6Aの厚み方向から見て、第2特定領域52を囲むように形成されている。より詳しくは、燃料ガス流路8の迂回部分81は、アノードセパレータ6Aの厚み方向から見て、アノード電極4Aの外周(特に、角部)を囲むように形成されている。そして、本実施の形態1においては、燃料ガス流路8の迂回部分81は、アノードセパレータ6Aの厚み方向から見て、アノード電極4Aが形成された領域内に位置する部分とアノード電極4Aが形成された領域よりも外側に位置する部分を有している。ここで、外側とは、アノードセパレータ6Aの内面において、アノードセパレータ6Aの外周に近い側をいう。なお、アノードセパレータ6Aの内面において、アノードセパレータ6Aの中心部に近い側を内側という。
In the first embodiment, the fuel
これにより、燃料ガス流路8を形成する溝(正確には、直線部8a)と溝(正確には、直線部8a)との間に形成される第1リブ部11であって、アノードセパレータ6Aの厚み方向から見て、酸化剤ガス流路9の第2特定領域52と対向する部分の面積を大きくすることができる。
Thus, the
また、燃料ガス流路8の迂回部分81は、アノードセパレータ6Aの厚み方向から見て、酸化剤ガス流路9(正確には、酸化剤ガス流路9の第2特定領域52以外の部分)と交差するように形成されている。本実施の形態1においては、迂回部分81は、アノードセパレータ6Aの厚み方向から見て、アノード電極4Aが形成された領域よりも外側で、酸化剤ガス流路9と交差するように形成されている。
Further, the
一方、酸化剤ガス流路9の第2特定領域52は、燃料ガス流路8の迂回部分81が上記のように形成されているので、アノードセパレータ6Aの厚み方向から見て、アノードセパレータ6Aの内面と重なるように形成されていて、ここでは、第2特定領域52は、アノードセパレータ6Aの厚み方向から見て、第1リブ部11と重なるように形成されている。
On the other hand, in the second
なお、本実施の形態1においては、燃料ガス流路8は、1本の溝で形成したが、これに限定されず、複数の溝をアノードセパレータ6Aの内面に形成して、複数の酸化剤ガス流路群を形成してもよい。この場合、各燃料ガス流路8を構成する溝(正確には、直線部8a)と溝(正確には、直線部8a)との間の部分が、第1リブ部11を形成する。
In the first embodiment, the fuel
次に、本実施の形態1に係る燃料電池スタック61(燃料電池100)の作用効果について、図1乃至図4を参照しながら説明する。
Next, the function and effect of the fuel cell stack 61 (fuel cell 100) according to
[燃料電池スタック(燃料電池)の作用効果]
上述したように、カソード電極4Bにおける酸化剤ガス流路9に面する部分の水分含有量は、カソード電極4Bにおける第2リブ部12に接触する部分の水分含有量に比べて低くなるが、特に、燃料電池スタック61を高温低加湿の条件(燃料ガス流路8を通流する燃料ガス及び酸化剤ガス流路9を通流する酸化剤ガスの露点が、冷却媒体流路10を通流する冷却媒体(ここでは、水)の温度よりも低い条件)で運転するような場合に、アノードセパレータ6Aの厚み方向から見て、カソード電極4Bにおける酸化剤ガス流路9の第2特定領域52に面する部分では、反応ガスの反応による生成水が充分ではないため、水分含有量が少ない。このため、アノードセパレータ6Aの厚み方向から見て、高分子電解質膜1における酸化剤ガス流路9の第2特定領域52に対向する部分では、乾燥しやすくなり、高分子電解質膜1の当該部分が劣化するおそれがある。
[Function and effect of fuel cell stack (fuel cell)]
As described above, the moisture content in the portion facing the oxidant
しかしながら、本実施の形態1に係る燃料電池100及びそれを備える燃料電池スタック61では、アノードセパレータ6Aの厚み方向から見て、燃料ガス流路8が、酸化剤ガス流路9の第2特定領域52を迂回するように形成されていて、第2特定領域52は、アノードセパレータ6Aの内面(正確には、第1リブ部11)と重なるように形成されている。
However, in the
これにより、アノード電極4Aにおけるアノードセパレータ6Aの内面(正確には、第1リブ部11)と接触する部分からカソード電極4Bにおける酸化剤ガス流路9の第2特定領域52に面する部分へ水が移動し、高分子電解質膜1における酸化剤ガス流路9の第2特定領域52と対向する部分の乾燥を抑制することができ、その劣化を抑制することができる。
As a result, water flows from the portion of the
なお、本実施の形態1においては、第1セパレータをアノードセパレータ6Aとし、第2セパレータをカソードセパレータ6Bとし、また、第1反応ガス流路を燃料ガス流路8とし、第2反応ガス流路を酸化剤ガス流路9としたが、これに限定されず、第1セパレータをカソードセパレータ6Bとし、第2セパレータをアノードセパレータ6Aとし、また、第1反応ガス流路を酸化剤ガス流路9とし、第2反応ガス流路を燃料ガス流路8としても同様の作用効果を奏する。
In the first embodiment, the first separator is the
また、本実施の形態1においては、燃料ガス流路8及び酸化剤ガス流路9ともに、その流路をサーペンタイン状に形成したが、これに限定されず、燃料ガス流路8のみをサーペンタイン状に形成してもよく、酸化剤ガス流路9のみをサーペンタイン状に形成してもよい。
In the first embodiment, both the
(実施の形態2)
図5は、本発明の実施の形態2に係る燃料電池スタックにおける燃料電池のカソードセパレータの内面の概略構成を示す模式図であり、図6は、本発明の実施の形態2に係る燃料電池スタックにおける燃料電池のアノードセパレータの内面の概略構成を示す模式図である。なお、図5及び図6においては、各セパレータにおける上下方向を、図における上下方向として表している。また、図6においては、酸化剤ガス流路の一部を仮想線(二点鎖線)で示している。
(Embodiment 2)
FIG. 5 is a schematic diagram showing a schematic configuration of the inner surface of the cathode separator of the fuel cell in the fuel cell stack according to
図5及び図6に示すように、本発明の実施の形態2に係る燃料電池スタック61(燃料電池100)は、実施の形態1に係る燃料電池スタック61(燃料電池100)と基本的構成は同じであるが、燃料ガス供給マニホールド孔31等の位置が異なり、燃料ガス流路8及び酸化剤ガス流路9がいわゆる対向流に形成されている点が異なる。以下、詳細に説明する。
As shown in FIGS. 5 and 6, the fuel cell stack 61 (fuel cell 100) according to the second embodiment of the present invention is basically the same as the fuel cell stack 61 (fuel cell 100) according to the first embodiment. Although the same, the positions of the fuel gas
図5に示すように、カソードセパレータ6Bにおける第1の側部の上部には、酸化剤ガス供給マニホールド孔33が設けられており、その下部には、燃料ガス供給マニホールド孔31が設けられている。また、第1の側部の燃料ガス供給マニホールド孔31が配設されている上部の外側には、冷却媒体排出マニホールド孔36が設けられている。また、カソードセパレータ6Bにおける第2の側部の上部には、燃料ガス排出マニホールド孔32が設けられており、その下部には、酸化剤ガス排出マニホールド孔34が設けられている。さらに、第2の側部の燃料ガス排出マニホールド孔32の外側には、冷却媒体供給マニホールド孔35が設けられている。なお、アノードセパレータ6Aにおける燃料ガス供給マニホールド孔31等の各マニホールド孔の位置はカソードセパレータ6Bと同じなので、その詳細な説明は省略する。
As shown in FIG. 5, an oxidant gas
また、図5及び図6に示すように、燃料ガス流路8と酸化剤ガス流路9は、いわゆる対向流となるように構成されている。ここで、対向流とは、一部に酸化剤ガスと燃料ガスが並走する(一致する)ように流れる部分を有するが、燃料電池100の厚み方向から見て、巨視的に(全体として)酸化剤ガスと燃料ガスの上流から下流への全体的な流れの方向が互いに反対になるように構成されていることをいう。
As shown in FIGS. 5 and 6, the fuel
図5に示すように、酸化剤ガス流路9の第2特定領域52は、第2部分42から、上下方向に距離Na延びた部分と、そこから水平方向(第1の側部から第2の側部に向かう方向)に距離Nb延びた部分までの範囲で構成されている。なお、距離Naと距離Nbの和が、実施の形態1に係る燃料電池スタック61で示した距離N2に相当する。また、図6に示すように、燃料ガス流路8の迂回部分81が下流側に設けられている。
As shown in FIG. 5, the second
このように構成された本実施の形態2に係る燃料電池スタック61(燃料電池100)であっても、実施の形態1に係る燃料電池スタック61(燃料電池100)と同様の作用効果を奏する。 Even the fuel cell stack 61 (fuel cell 100) according to the second embodiment configured as described above has the same effects as the fuel cell stack 61 (fuel cell 100) according to the first embodiment.
(実施の形態3)
図7は、本発明の実施の形態3に係る燃料電池スタックにおける燃料電池の概略構成を模式的に示す断面図である。図8は、図7に示す燃料電池におけるアノードセパレータの内面の概略構成を示す模式図であり、図9は、図7に示す燃料電池におけるカソードセパレータの内面の概略構成を示す模式図である。なお、図8及び図9においては、各セパレータにおける上下方向を、図における上下方向として表している。また、図8においては、酸化剤ガス流路の一部を仮想線(二点鎖線)で示し、図9においては、燃料ガス流路の一部を仮想線(二点鎖線)で示している。
(Embodiment 3)
FIG. 7 is a cross-sectional view schematically showing a schematic configuration of the fuel cell in the fuel cell stack according to Embodiment 3 of the present invention. FIG. 8 is a schematic diagram showing a schematic configuration of the inner surface of the anode separator in the fuel cell shown in FIG. 7, and FIG. 9 is a schematic diagram showing a schematic configuration of the inner surface of the cathode separator in the fuel cell shown in FIG. 8 and 9, the vertical direction of each separator is represented as the vertical direction in the drawings. In FIG. 8, a part of the oxidant gas flow path is indicated by a virtual line (two-dot chain line), and in FIG. 9, a part of the fuel gas flow path is indicated by a virtual line (two-dot chain line). .
図7乃至図9に示すように、本発明の実施の形態3に係る燃料電池スタック61(燃料電池100)は、実施の形態1に係る燃料電池スタック61(燃料電池100)と基本的構成は同じであるが、酸化剤ガス流路9が、燃料ガス流路8と同様に形成されている点が異なる。以下、詳細に説明する。
7 to 9, the fuel cell stack 61 (fuel cell 100) according to Embodiment 3 of the present invention is basically the same as the fuel cell stack 61 (fuel cell 100) according to
図7乃至図9に示すように、本実施の形態3に係る燃料電池スタック61(燃料電池100)では、燃料ガス流路8は、第1部分41を有している。第1部分41は、アノードセパレータ6Aの厚み方向から見て、燃料ガス流路8の上流端から最初にアノード電極4Aと接触する部分である。さらに、燃料ガス流路8は、第1部分41を含む第1特定領域51(図8及び図9において、ハッチングした部分)を有する。第1特定領域51は、本実施の形態3においては、第1部分41から下流側の所定の部分までの領域で構成されている。具体的には、第1特定領域51の下流端は、第1部分41から下流側に所定の距離N1延びた部分である。
As shown in FIGS. 7 to 9, in the fuel cell stack 61 (fuel cell 100) according to the third embodiment, the fuel
ここで、所定の距離N1は、反応ガスの露点、冷却媒体の温度等、及び燃料ガス流路8や酸化剤ガス流路9の幅寸法等の構成等によって異なるが、高分子電解質膜1の劣化を抑制する観点から、燃料ガス流8の幅の長さと後述する第1リブ部11の幅の長さの和に相当する長さ以下であってもよく、燃料ガス流路8の幅に相当する長さ以下であってもよい。なお、第1リブ部11の幅の長さとは、第1リブ部11を形成する溝(正確には、直線部8a)と溝(正確には、直線部8a)の間の長さをいう。また、燃料ガス流8の幅とは、燃料ガスが、燃料ガス流路8を通流する方向に対して、垂直な方向の長さをいう。
Here, the predetermined distance N1 varies depending on the configuration of the dew point of the reaction gas, the temperature of the cooling medium, the width dimensions of the
また、燃料ガス流路8の直線部8aと酸化剤ガス流路9の直線部9aは、燃料ガス流路8の第1特定領域51及び酸化剤ガス流路9の第2特定領域52を除いて、アノードセパレータ6Aの厚み方向から見て、互いに重なり合うように形成されている。すなわち、アノードセパレータ6Aの厚み方向から見て、燃料ガス流路8は第2特定領域52を迂回するように形成されていて、酸化剤ガス流路9は第1特定領域51を迂回するように形成されている。逆に言えば、アノードセパレータ6Aの厚み方向から見て、燃料ガス流路8は酸化剤ガス流路9の第2特定領域52とは重ならないように形成されていて、酸化剤ガス流路9は燃料ガス流路8の第1特定領域51とは重ならないように形成されている。ここで、酸化剤ガス流路9が、第1特定領域51を迂回するように形成されているとは、酸化剤ガス流路9が、アノードセパレータ6Aの厚み方向から見て、第1特定領域51を避けるように設けられていることをいう。なお、本実施の形態3においては、燃料ガス流路8の直線部8aと酸化剤ガス流路9の直線部9aは、燃料ガス流路8の第1特定領域51及び酸化剤ガス流路9の第2特定領域52を除いて、アノードセパレータ6Aの厚み方向から見て、互いに重なり合うように形成さしたが、これに限定されず、本発明の作用効果を奏する範囲内で、燃料ガス流路8の直線部8aと酸化剤ガス流路9の直線部9aは、燃料ガス流路8の第1特定領域51及び酸化剤ガス流路9の第2特定領域52を除いて、アノードセパレータ6Aの厚み方向から見て、その一部が重なり合うように(上下方向にずれるように)形成されていてもよく、また、互いに重なり合わない部分を有するように形成されていてもよい。
Further, the
本実施の形態3では、酸化剤ガス流路9が、第1特定領域51よりも外側に迂回するように形成されている。具体的には、酸化剤ガス流路9の第1特定領域51を迂回する部分(以下、迂回部分)91は、アノードセパレータ6Aの厚み方向から見て、第1特定領域51を囲むように形成されている。より詳しくは、酸化剤ガス流路9の迂回部分91は、アノードセパレータ6Aの厚み方向から見て、カソード電極4Bの外周(特に、角部)を囲むように形成されている。そして、本実施の形態3においては、酸化剤ガス流路9の迂回部分91は、アノードセパレータ6Aの厚み方向から見て、カソード電極4Bが形成された領域内に位置する部分とカソード電極4Bが形成された領域よりも外側に位置する部分を有している。ここで、外側とは、カソードセパレータ6Bの内面において、カソードセパレータ6Bの外周に近い側をいう。なお、カソードセパレータ6Bの内面において、カソードセパレータ6Bの中心部に近い側を内側という。
In the third embodiment, the oxidant
これにより、酸化剤ガス流路9を形成する溝(正確には、直線部9a)と溝(正確には、直線部9a)との間に形成される第2リブ部12であって、アノードセパレータ6Aの厚み方向から見て、燃料ガス流路8の第1特定領域51と対向する部分の面積を大きくすることができる。
Thus, the
また、酸化剤ガス流路9の迂回部分91は、アノードセパレータ6Aの厚み方向から見て、燃料ガス流路8(正確には、燃料ガス流路8の第1特定領域51以外の部分)と交差するように形成されている。本実施の形態3においては、迂回部分91は、アノードセパレータ6Aの厚み方向から見て、カソード電極4Bが形成された領域よりも外側で、燃料ガス流路8と交差するように形成されている。
Further, the
一方、燃料ガス流路8の第1特定領域51は、酸化剤ガス流路9の迂回部分91が上記のように形成されているので、アノードセパレータ6Aの厚み方向から見て、カソードセパレータ6Bの内面と重なるように形成されていて、ここでは、第1特定領域51は、カソードセパレータ6Bの厚み方向から見て、第2リブ部12と重なるように形成されている。
On the other hand, in the first
このように構成された本実施の形態3に係る燃料電池スタック61(燃料電池100)であっても、実施の形態1に係る燃料電池スタック61(燃料電池100)と同様の作用効果を奏する。 Even the fuel cell stack 61 (fuel cell 100) according to the third embodiment configured as described above has the same effects as the fuel cell stack 61 (fuel cell 100) according to the first embodiment.
また、本実施の形態3に係る燃料電池スタック61(燃料電池100)では、アノードセパレータ6Aの厚み方向から見て、酸化剤ガス流路9が、燃料ガス流路8の第1特定領域51を迂回するように形成されていて、第1特定領域51は、カソードセパレータ6Bの内面(正確には、第2リブ部12)と重なるように形成されている。
Further, in the fuel cell stack 61 (fuel cell 100) according to the third embodiment, the oxidant
これにより、カソード電極4Bにおけるカソードセパレータ6Bの内面(正確には、第2リブ部12)と接触する部分からアノード電極4Aにおける燃料ガス流路8の第1特定領域51に面する部分へ水が移動し、高分子電解質膜1における燃料ガス流路8の第1特定領域51と対向する部分の乾燥を抑制することができ、その劣化を抑制することができる。
Thereby, water flows from the portion of the
なお、本実施の形態3においては、燃料ガス流路8と酸化剤ガス流路9をいわゆる並行流となるように構成したが、これに限定されず、実施の形態2のように、いわゆる対向流となるように構成してもよい。
In the third embodiment, the fuel
(実施の形態4)
図10は、本発明の実施の形態4に係る燃料電池スタックの燃料電池におけるアノードセパレータの内面の概略構成を示す模式図である。なお、図10においては、アノードセパレータにおける上下方向を、図における上下方向として表し、酸化剤ガス流路の一部を仮想線(二点鎖線)で示している。
(Embodiment 4)
FIG. 10 is a schematic diagram showing a schematic configuration of the inner surface of the anode separator in the fuel cell of the fuel cell stack according to
図10に示すように、本発明の実施の形態10に係る燃料電池スタック61(燃料電池100)は、実施の形態1に係る燃料電池スタック61(燃料電池100)と基本的構成は同じであるが、燃料ガス流路8の迂回部分81の構成が異なる。具体的には、燃料ガス流路8の迂回部分81が、第2特定領域52よりも内側に迂回するように形成されている。
As shown in FIG. 10, the fuel cell stack 61 (fuel cell 100) according to
このように構成された本実施の形態4に係る燃料電池スタック61(燃料電池100)であっても、実施の形態1に係る燃料電池スタック61(燃料電池100)と同様の作用効果を奏する。なお、本実施の形態4においては、一方の反応ガス流路(燃料ガス流路8)のみが迂回部分81を有するように形成したが、これに限定されず、実施の形態3係る燃料電池スタック61(燃料電池100)と同様に、両方の反応ガス流路(燃料ガス流路8及び酸化剤ガス流路9)が迂回部分81、91を有するように形成してもよい。この場合、両方の反応ガス流路の迂回部分が、特定領域よりも内側に迂回するように形成してもよく、また、一方の反応ガス流路の迂回部分は、特定領域よりも内側に迂回するように形成し、他方の反応ガス流路の迂回部分は、特定領域よりも外側に迂回するように形成してもよい。
Even the fuel cell stack 61 (fuel cell 100) according to the fourth embodiment configured as described above has the same effects as the fuel cell stack 61 (fuel cell 100) according to the first embodiment. In the fourth embodiment, only one reaction gas channel (fuel gas channel 8) is formed to have the
(実施の形態5)
図11は、本発明の実施の形態5に係る燃料電池スタックにおける燃料電池のカソードセパレータの内面の概略構成を示す模式図であり、図12は、本発明の実施の形態5に係る燃料電池スタックにおける燃料電池のアノードセパレータの内面の概略構成を示す模式図である。なお、図11及び図12においては、各セパレータにおける上下方向を、図における上下方向として表している。また、図12においては、酸化剤ガス流路の一部を仮想線(二点鎖線)で示している。
(Embodiment 5)
FIG. 11 is a schematic diagram showing a schematic configuration of the inner surface of the cathode separator of the fuel cell in the fuel cell stack according to
図11及び図12に示すように、本発明の実施の形態5に係る燃料電池スタック61(燃料電池100)は、実施の形態1に係る燃料電池スタック61(燃料電池100)と基本的構成は同じであるが、それぞれ、複数(本実施の形態では、3本)の流路(溝)で構成されている点が異なる。以下、詳細に説明する。 As shown in FIGS. 11 and 12, the fuel cell stack 61 (fuel cell 100) according to the fifth embodiment of the present invention is basically the same as the fuel cell stack 61 (fuel cell 100) according to the first embodiment. Although the same, each is different in that it is configured by a plurality (three in this embodiment) of flow paths (grooves). This will be described in detail below.
図11に示すように、複数の酸化剤ガス流路9のそれぞれが、第2部分42を有している。また、複数の酸化剤ガス流路9のそれぞれは、第2特定領域52を有している。第2特定領域52は、第2部分42から所定の距離N2延びた部分までの領域で構成されている。ここで、本実施の形態5において、所定の距離N2は、反応ガスの露点、冷却媒体の温度等、及び燃料ガス流路8や酸化剤ガス流路9の幅寸法等の構成等によって異なるが、高分子電解質膜1の劣化を抑制する観点から、複数(ここでは、3本)の酸化剤ガス流路9の幅の和と複数(ここでは、3本)の酸化剤ガス流路9の間に形成される複数(ここでは、2つ)の第2リブ部12の幅の和を足し合わせた長さ(複数の酸化剤ガス流路9の幅の和と、複数の酸化剤ガス流路9の間に形成される複数の第2リブ部12の幅の和と、の和に相当する長さ)以下であってもよく、酸化剤ガス流路9の幅に相当する長さ以下であってもよい。
As shown in FIG. 11, each of the plurality of oxidant
また、図12に示すように、本実施の形態5においては、複数の燃料ガス流路8のうち、最も外側に位置する燃料ガス流路80が、アノードセパレータ6Aの厚み方向から見て、複数の酸化剤ガス流路9の第2特定領域52を迂回するように形成されている。ここで、複数の燃料ガス流路8のうち、最も外側に位置する燃料ガス流路とは、アノードセパレータ6Aの厚み方向から見て、酸化剤ガス流路9の第2特定領域52近傍において、複数の燃料ガス流路8のうち、最も外側に位置する燃料ガス流路をいう。
Also, as shown in FIG. 12, in the fifth embodiment, among the plurality of
このように構成された本実施の形態5に係る燃料電池スタック61(燃料電池100)であっても、実施の形態1に係る燃料電池スタック61(燃料電池100)と同様の作用効果を奏する。 Even the fuel cell stack 61 (fuel cell 100) according to the fifth embodiment configured as described above has the same effects as the fuel cell stack 61 (fuel cell 100) according to the first embodiment.
なお、本実施の形態5においては、燃料ガス流路80の迂回部分81は、酸化剤ガス流路9の第2特定領域52よりも外側に迂回するように形成したが、これに限定されず、実施の形態4と同様に、酸化剤ガス流路9の第2特定領域52の内側に迂回するように形成してもよい。
In the fifth embodiment, the
(実施の形態6)
図13は、本発明の実施の形態6に係る燃料電池スタックにおける燃料電池のアノードセパレータの内面の概略構成を示す模式図であり、図14は、本発明の実施の形態6に係る燃料電池スタックにおける燃料電池のカソードセパレータの内面の概略構成を示す模式図である。なお、図13及び図14においては、各セパレータにおける上下方向を、図における上下方向として表している。また、図13においては、酸化剤ガス流路の一部を仮想線(二点鎖線)で示し、図14においては、燃料ガス流路の一部を仮想線(二点鎖線)で示している。
(Embodiment 6)
FIG. 13 is a schematic diagram showing a schematic configuration of the inner surface of the anode separator of the fuel cell in the fuel cell stack according to Embodiment 6 of the present invention, and FIG. 14 shows the fuel cell stack according to Embodiment 6 of the present invention. It is a schematic diagram which shows schematic structure of the inner surface of the cathode separator of a fuel cell. 13 and 14, the vertical direction in each separator is represented as the vertical direction in the drawings. In FIG. 13, a part of the oxidant gas flow path is indicated by a virtual line (two-dot chain line), and in FIG. 14, a part of the fuel gas flow path is indicated by a virtual line (two-dot chain line). .
図13及び図14に示すように、本発明の実施の形態6に係る燃料電池スタック61(燃料電池100)は、実施の形態5に係る燃料電池スタック61(燃料電池100)と基本的構成は同じであるが、酸化剤ガス流路9が、燃料ガス流路8と同様に形成されている点が異なる。以下、詳細に説明する。
As shown in FIGS. 13 and 14, the basic configuration of the fuel cell stack 61 (fuel cell 100) according to Embodiment 6 of the present invention is the same as that of the fuel cell stack 61 (fuel cell 100) according to
図13に示すように、複数の燃料ガス流路8のそれぞれが、第1部分41を有している。また、複数の燃料ガス流路8のそれぞれは、第1特定領域51を有している。第1特定領域51は、第1部分41から所定の距離N1延びた部分までの領域で構成されている。ここで、本実施の形態6において、所定の距離N1は、反応ガスの露点、冷却媒体の温度等、及び燃料ガス流路8や酸化剤ガス流路9の幅寸法等の構成等によって異なるが、高分子電解質膜1の劣化を抑制する観点から、複数(ここでは、3本)の燃料ガス流路8の幅の和と複数(ここでは、3本)の燃料ガス流路8の間に形成される複数(ここでは、2つ)の第1リブ部11の幅の和を足し合わせた長さ(複数の燃料ガス流路8の幅の和と、複数の燃料ガス流路8の間に形成される複数の第1リブ部11の幅の和と、の和に相当する長さ)以下であってもよく、燃料ガス流路8の幅に相当する長さ以下であってもよい。
As shown in FIG. 13, each of the plurality of fuel
また、図14に示すように、本実施の形態5においては、複数の酸化剤ガス流路9のうち、最も外側に位置する酸化剤ガス流路90が、アノードセパレータ6Aの厚み方向から見て、複数の燃料ガス流路8の第1特定領域51を迂回するように形成されている。ここで、複数の酸化剤ガス流路9のうち、最も外側に位置する酸化剤ガス流路とは、アノードセパレータ6Aの厚み方向から見て、燃料ガス流路8の第1特定領域51近傍において、複数の酸化剤ガス流路9のうち、最も外側に位置する酸化剤ガス流路をいう。
As shown in FIG. 14, in the fifth embodiment, among the plurality of
このように構成された本実施の形態6に係る燃料電池スタック61(燃料電池100)であっても、実施の形態5に係る燃料電池スタック61(燃料電池100)と同様の作用効果を奏する。 Even the fuel cell stack 61 (fuel cell 100) according to the sixth embodiment configured as described above has the same effects as the fuel cell stack 61 (fuel cell 100) according to the fifth embodiment.
また、本実施の形態6係る燃料電池スタック61(燃料電池100)では、アノードセパレータ6Aの厚み方向から見て、酸化剤ガス流路90が、燃料ガス流路8の第1特定領域51を迂回するように形成されていて、第1特定領域51は、カソードセパレータ6Bの内面(正確には、第2リブ部12)と重なるように形成されている。
In the fuel cell stack 61 (fuel cell 100) according to the sixth embodiment, the oxidant
これにより、カソード電極4Bにおけるカソードセパレータ6Bの内面(正確には、第2リブ部12)と接触する部分からアノード電極4Aにおける燃料ガス流路8の第1特定領域51に面する部分へ水が移動し、高分子電解質膜1における燃料ガス流路8の第1特定領域51と対向する部分の乾燥を抑制することができ、その劣化を抑制することができる。
Thereby, water flows from the portion of the
なお、本実施の形態6においては、両方の反応ガス流路(燃料ガス流路8及び酸化剤ガス流路9)の迂回部分81、91が、それぞれ、特定領域よりも外側に迂回するように形成したが、これに限定されず、両方の反応ガス流路の迂回部分が、それぞれ、特定領域よりも内側に迂回するように形成してもよく、さらに、一方の反応ガス流路の迂回部分は、特定領域よりも内側に迂回するように形成し、他方の反応ガス流路の迂回部分は、特定領域よりも外側に迂回するように形成してもよい。
In the sixth embodiment, the
また、本実施の形態6においては、燃料ガス流路8と酸化剤ガス流路9をいわゆる並行流となるように構成したが、これに限定されず、実施の形態2のように、いわゆる対向流となるように構成してもよい。
Further, in the sixth embodiment, the fuel
(実施の形態7)
図15は、本発明の実施の形態7に係る燃料電池スタックにおける燃料電池のアノードセパレータの内面の概略構成を示す模式図である。なお、図15においては、アノードセパレータにおける上下方向を、図における上下方向として表し、酸化剤ガス流路の一部を仮想線(二点鎖線)で示している。
(Embodiment 7)
FIG. 15 is a schematic diagram showing a schematic configuration of the inner surface of the anode separator of the fuel cell in the fuel cell stack according to
図15に示すように、本発明の実施の形態7に係る燃料電池スタック61(燃料電池100)は、実施の形態5に係る燃料電池スタック61(燃料電池100)と基本的構成は同じであるが、複数の燃料ガス流路8が、それぞれ、酸化剤ガス流路9の第2特定領域52を迂回するように形成されている点が異なる。具体的には、複数の燃料ガス流路8のうち、最も外側に位置する燃料ガス流路80は、アノードセパレータ6Aの厚み方向から見て、酸化剤ガス流路9の第2特定領域52よりも外側に迂回するように形成されている。また、複数の燃料ガス流路8のうち、最も外側に位置する燃料ガス流路80以外の燃料ガス流路8は、アノードセパレータ6Aの厚み方向から見て、酸化剤ガス流路9の第2特定領域52よりも内側に迂回するように形成されている。
As shown in FIG. 15, the fuel cell stack 61 (fuel cell 100) according to
このように構成された本実施の形態7に係る燃料電池スタック61(燃料電池100)であっても、実施の形態5に係る燃料電池スタック61(燃料電池100)と同様の作用効果を奏する。 Even the fuel cell stack 61 (fuel cell 100) according to the seventh embodiment configured as described above has the same effects as the fuel cell stack 61 (fuel cell 100) according to the fifth embodiment.
なお、本実施の形態7では、複数の燃料ガス流路8のうち、最も外側に位置する燃料ガス流路80が、酸化剤ガス流路9の第2特定領域52よりも外側に迂回し、他の燃料ガス流路8が、酸化剤ガス流路9の第2特定領域52よりも内側に迂回するように形成したが、これに限定されず、全ての燃料ガス流路8が、酸化剤ガス流路9の第2特定領域52よりも外側に迂回するように形成してもよく、また、全ての燃料ガス流路8が、酸化剤ガス流路9の第2特定領域52よりも内側に迂回するように形成してもよい。さらに、複数の燃料ガス流路8のうち、一部の燃料ガス流路8が、酸化剤ガス流路9の第2特定領域52よりも外側に迂回するように形成し、残りの燃料ガス流路8が、酸化剤ガス流路9の第2特定領域52よりも内側に迂回するように形成してもよい。
In the seventh embodiment, among the plurality of fuel
また、本実施の形態7においては、複数の燃料ガス流路8が、酸化剤ガス流路9の第2特定領域52を迂回するように形成したが、これに限定されず、複数の酸化剤ガス流路9が、燃料ガス流路8の第1特定領域51を迂回するように形成してもよい。この場合、複数の酸化剤ガス流路9のうち、一部の酸化剤ガス流路9が、燃料ガス流路8の第1特定領域51よりも外側に迂回するように形成し、残りの酸化剤ガス流路9が、燃料ガス流路8の第1特定領域51よりも内側に迂回するように形成してもよい。また、全ての酸化剤ガス流路9が、燃料ガス流路8の第1特定領域51よりも外側に迂回するように形成してもよく、また、全ての酸化剤ガス流路9が、燃料ガス流路8の第1特定領域51よりも内側に迂回するように形成してもよい。
Further, in the seventh embodiment, the plurality of fuel
なお、上述した本実施の形態1乃至7において、燃料ガス供給マニホールド孔31等の各マニホールド孔の位置は、一例であって、各マニホールド孔の配置される位置は、限定されない。この場合、燃料ガス流路8と酸化剤ガス流路9は、いわゆる並行流に形成されていてもよく、いわゆる対向流に形成されていてもよい。また、上述した本実施の形態1乃至7においては、いわゆる内部マニホールド形の燃料電池を採用したが、これに限定されず、いわゆる外部マニホールド形の燃料電池を採用してもよい。
In the first to seventh embodiments described above, the position of each manifold hole such as the fuel gas
また、本実施の形態1、4、5及び7においては、燃料ガス流路8と酸化剤ガス流路9をいわゆる並行流になるように形成したが、これに限定されず、実施の形態2と同様に、燃料ガス流路8と酸化剤ガス流路9をいわゆる対向流になるように形成してもよい。
In the first, fourth, fifth, and seventh embodiments, the fuel
また、上述した本実施の形態2においては、アノードセパレータ6Aの厚み方向から見て、酸化剤ガス流路9の第2特定領域52のみを第1リブ部11と重なるように形成したが、これに限定されない。例えば、実施の形態3及び6と同様に、アノードセパレータ6Aの厚み方向から見て、酸化剤ガス流路9の第2特定領域52のみを第1リブ部11と重なるように形成されており、さらに、酸化剤ガス流路9が、燃料ガス流路8の第1特定領域51を迂回するように形成されていて、第1特定領域51は、カソードセパレータ6Bの内面(正確には、第2リブ部12)と重なるように形成されていてもよい。
In the second embodiment described above, only the second
さらに、上述した本実施の形態2においては、燃料ガス流路8と酸化剤ガス流路9をいわゆる対向流になるように形成したが、これに限定されず、実施の形態1と同様に、燃料ガス流路8と酸化剤ガス流路9をいわゆる並行流になるように形成してもよい。
Further, in the above-described second embodiment, the fuel
本発明の高分子電解質形燃料電池及び燃料電池スタックは、高温低加湿の条件で運転した場合に、高分子電解質膜の乾燥を抑制し、これにより、高分子電解質膜の劣化を抑制することが可能な高分子電解質形燃料電池及び燃料電池スタックとして有用である。 The polymer electrolyte fuel cell and fuel cell stack of the present invention can suppress drying of the polymer electrolyte membrane when operated under conditions of high temperature and low humidity, thereby suppressing deterioration of the polymer electrolyte membrane. It is useful as a possible polymer electrolyte fuel cell and fuel cell stack.
1 高分子電解質膜
2A アノード触媒層
2B カソード触媒層
3A アノードガス拡散層
3B カソードガス拡散層
4A アノード電極
4B カソード電極
5 MEA(Membrane−Electrode−Assembly:膜−電極接合体)
6A アノードセパレータ
6B カソードセパレータ
7 ガスケット
8 燃料ガス流路
8a 直線部
8b 折り返し部
9 酸化剤ガス流路
9a 直線部
9b 折り返し部
10 冷却媒体流路
11 第1リブ部
12 第2リブ部
31 燃料ガス供給マニホールド孔
32 燃料ガス排出マニホールド孔
33 酸化剤ガス供給マニホールド孔
34 酸化剤ガス排出マニホールド孔
35 冷却媒体供給マニホールド孔
36 冷却媒体排出マニホールド孔
41 第1部分
42 第2部分
51 第1特定領域
52 第2特定領域
61 燃料電池スタック
62 セル積層体
63 第1の端板
64 第2の端板
80 燃料ガス流路
81 迂回部分
90 酸化剤ガス流路
91 迂回部分
100 燃料電池
131 燃料ガス供給マニホールド
132 燃料ガス排出マニホールド
133 酸化剤ガス供給マニホールド
134 酸化剤ガス排出マニホールド
135 冷却媒体供給マニホールド
136 冷却媒体排出マニホールド
202 電極
202A 部分
202B 部分
203 反応ガス流路
204 リブ部
N1 距離
N2 距離
DESCRIPTION OF
Claims (22)
板状で、前記膜−電極接合体の前記一対の電極のうち一方の電極と接触するように配設され、前記電極と接触する一方の主面に溝状の第1反応ガス流路が屈曲するように形成された導電性の第1セパレータと、
板状で、前記膜−電極接合体前記一対の電極のうち他方の電極と接触するように配設され、前記電極と接触する一方の主面に溝状の第2反応ガス流路が屈曲するように形成された導電性の第2セパレータと、を備え、
前記第1反応ガス流路は、前記第1セパレータの厚み方向から見て、前記第2反応ガス流路の上流端から最初に前記電極と重なる部分(以下、第2部分)から下流側の所定の部分までの領域(以下、第2特定領域)を迂回するように形成され、
前記第2反応ガス流路の前記第2特定領域は、前記第1セパレータの厚み方向から見て、前記第1セパレータの前記一方の主面と重なるように形成されている、高分子電解質形燃料電池。 A membrane-electrode assembly having a polymer electrolyte membrane and a pair of electrodes sandwiching an inner portion from the peripheral edge of the polymer electrolyte membrane;
It is plate-shaped and disposed so as to be in contact with one of the pair of electrodes of the membrane-electrode assembly, and a groove-shaped first reactive gas channel is bent on one main surface in contact with the electrode. A conductive first separator formed to
The membrane-electrode assembly is disposed in a plate shape so as to be in contact with the other electrode of the pair of electrodes, and a groove-like second reaction gas channel is bent on one main surface in contact with the electrode. A conductive second separator formed as described above,
The first reactive gas flow path is a predetermined downstream side of a portion (hereinafter referred to as a second portion) that first overlaps the electrode from the upstream end of the second reactive gas flow path when viewed from the thickness direction of the first separator. Formed so as to bypass the area up to the part (hereinafter referred to as the second specific area),
The polymer electrolyte fuel, wherein the second specific region of the second reaction gas channel is formed so as to overlap the one main surface of the first separator when viewed from the thickness direction of the first separator. battery.
前記第2反応ガス流路の前記第2特定領域は、前記第1セパレータの厚み方向から見て、前記第1反応ガス流路の間に形成された第1リブ部と重なるように形成されている、請求項1に記載の高分子電解質形燃料電池。 The first reaction gas flow path is formed so as to detour outside the region where the electrode is formed when viewed from the thickness direction of the first separator,
The second specific region of the second reaction gas channel is formed so as to overlap with a first rib portion formed between the first reaction gas channels when viewed from the thickness direction of the first separator. The polymer electrolyte fuel cell according to claim 1.
前記第2特定領域は、前記第2部分から前記複数の第2反応ガス流路の幅の和と前記複数の第2反応ガス流路の間に形成された複数の第2リブ部の幅の和との和に相当する長さまでの範囲の部分で構成されている、請求項1に記載の高分子電解質形燃料電池。 A plurality of the second reaction gas flow paths are formed on the one main surface of the second separator,
The second specific region has a width of a plurality of second rib portions formed between a sum of widths of the plurality of second reaction gas channels from the second portion and the plurality of second reaction gas channels. 2. The polymer electrolyte fuel cell according to claim 1, wherein the polymer electrolyte fuel cell is composed of a portion in a range up to a length corresponding to the sum.
前記第2特定領域は、前記第2部分から前記複数の第2反応ガス流路の幅の和に相当する長さまでの範囲の部分で構成されている、請求項1に記載の高分子電解質形燃料電池。 A plurality of the second reaction gas flow paths are formed on the one main surface of the second separator,
2. The polymer electrolyte form according to claim 1, wherein the second specific region is configured by a portion ranging from the second portion to a length corresponding to a sum of widths of the plurality of second reaction gas flow paths. Fuel cell.
前記複数の第1反応ガス流路のうち、最も外側に位置する前記第1反応ガス流路が、前記第1セパレータの厚み方向から見て、前記第2反応ガス流路の第2特定領域を迂回するように形成されている、請求項1に記載の高分子電解質形燃料電池。 A plurality of the first reaction gas flow paths are formed on the one main surface of the first separator,
Of the plurality of first reaction gas channels, the outermost first reaction gas channel is a second specific region of the second reaction gas channel as viewed from the thickness direction of the first separator. The polymer electrolyte fuel cell according to claim 1, wherein the polymer electrolyte fuel cell is formed to be bypassed.
前記第1反応ガス流路の前記第1特定領域は、前記第1セパレータの厚み方向から見て、前記第2セパレータの前記一方の主面と重なるように形成されている、請求項1に記載の高分子電解質形燃料電池。 The second reactive gas flow path is a predetermined downstream side of a portion (hereinafter referred to as the first portion) that first overlaps the electrode from the upstream end of the first reactive gas flow path when viewed from the thickness direction of the first separator. Is formed so as to bypass the area up to (hereinafter referred to as the first specific area),
The said 1st specific area | region of the said 1st reaction gas flow path is formed so that it may overlap with the said one main surface of the said 2nd separator seeing from the thickness direction of the said 1st separator. Polymer electrolyte fuel cell.
前記第1反応ガス流路の前記第1特定領域は、前記第1セパレータの厚み方向から見て、前記第2反応ガス流路の間に形成された第2リブ部と重なるように形成されている、請求項10に記載の高分子電解質形燃料電池。 The second reaction gas flow path is formed so as to detour outside the region where the electrode is formed when viewed from the thickness direction of the first separator,
The first specific region of the first reaction gas flow path is formed to overlap a second rib portion formed between the second reaction gas flow paths when viewed from the thickness direction of the first separator. The polymer electrolyte fuel cell according to claim 10.
前記第1特定領域は、前記第1部分から前記複数の第1反応ガス流路の幅の和と前記複数の第1反応ガス流路の間に形成された複数の第1リブ部の幅の和との和に相当する長さまでの範囲の部分で構成されている、請求項10に記載の高分子電解質形燃料電池。 A plurality of the first reaction gas flow paths are formed on the one main surface of the first separator,
The first specific region has a width of a plurality of first rib portions formed between a sum of widths of the plurality of first reaction gas channels from the first portion and the plurality of first reaction gas channels. 11. The polymer electrolyte fuel cell according to claim 10, wherein the polymer electrolyte fuel cell is composed of a portion in a range up to a length corresponding to the sum.
前記第1特定領域は、前記第1部分から前記複数の第1反応ガス流路の幅の和に相当する長さまでの範囲の部分で構成されている、請求項10に記載の高分子電解質形燃料電池。 A plurality of the first reaction gas flow paths are formed on the one main surface of the first separator,
11. The polymer electrolyte form according to claim 10, wherein the first specific region is configured by a portion ranging from the first portion to a length corresponding to a sum of widths of the plurality of first reaction gas channels. Fuel cell.
前記複数の第2反応ガス流路のうち、最も外側に位置する前記第2反応ガス流路が、前記第1セパレータの厚み方向から見て、前記第1反応ガス流路の第1特定領域を迂回するように形成されている、請求項10に記載の高分子電解質形燃料電池。 A plurality of the second reaction gas flow paths are formed on the one main surface of the second separator,
Of the plurality of second reaction gas channels, the outermost second reaction gas channel is a first specific region of the first reaction gas channel as viewed from the thickness direction of the first separator. The polymer electrolyte fuel cell according to claim 10, wherein the polymer electrolyte fuel cell is formed so as to be bypassed.
前記第1反応ガス流路を通流する第1反応ガス及び前記第2反応ガス流路を通流する第2反応ガスの露点が、前記冷却媒体流路を通流する冷却媒体の温度よりも低い、請求項1に記載の高分子電解質形燃料電池。 A groove-like cooling medium flow path is formed on the other main surface of the first separator and / or the other main surface of the second separator,
The dew point of the first reaction gas flowing through the first reaction gas flow channel and the second reaction gas flowing through the second reaction gas flow channel are lower than the temperature of the cooling medium flowing through the cooling medium flow channel. 2. The polymer electrolyte fuel cell according to claim 1, which is low.
A fuel cell stack in which a plurality of polymer electrolyte fuel cells according to claim 1 are stacked and fastened.
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