JP2012018854A - Fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、反応ガスを用いて電気化学的に発電する燃料電池に関し、特に、燃料電池の内部において反応ガスを流すガス流路に関する。 The present invention relates to a fuel cell that generates electricity electrochemically using a reaction gas, and more particularly, to a gas flow path for flowing a reaction gas inside the fuel cell.
燃料電池としては、電解質膜の両面に電極層を接合した膜電極接合体(Membrane Electrode Assembly、以下、「MEA」とも呼ぶ)と、膜電極接合体同士を隔離するセパレータとを交互に積層し、MEAの電極面に反応ガスを流すガス流路をセパレータによって形成したものが知られている。MEAの電極面のうちアノード面には、反応ガスとして燃料ガスを流すアノード流路が形成され、MEAの電極面のうちカソード面には、反応ガスとして酸化ガスを流すカソード流路が形成される。 As a fuel cell, a membrane electrode assembly (hereinafter also referred to as “MEA”) in which electrode layers are bonded to both surfaces of an electrolyte membrane, and a separator that separates the membrane electrode assemblies are alternately laminated, 2. Description of the Related Art A gas flow path for flowing a reaction gas on an electrode surface of an MEA is formed by a separator. An anode flow channel for flowing fuel gas as a reaction gas is formed on the anode surface of the electrode surface of the MEA, and a cathode flow channel for flowing oxidizing gas as a reaction gas is formed on the cathode surface of the electrode surface of the MEA. .
従来、ガス流路の形状によって燃料電池の発電効率を高めるために、櫛歯状流路をアノード流路およびカソード流路に適用した燃料電池が提案されていた(例えば、特許文献1)。櫛歯状流路は、反応ガスの供給側に連通する一次閉塞流路と、反応ガスの回収側に連通する二次閉塞流路とを、それぞれ櫛歯状とし相互に噛み合うように分離して形成した閉塞流路である。 Conventionally, in order to increase the power generation efficiency of the fuel cell depending on the shape of the gas channel, a fuel cell in which the comb-shaped channel is applied to the anode channel and the cathode channel has been proposed (for example, Patent Document 1). The comb-shaped flow path is formed by separating the primary closed flow path communicating with the reaction gas supply side and the secondary closed flow path communicating with the reaction gas recovery side into a comb-tooth shape and meshing with each other. It is the formed obstruction | occlusion flow path.
しかしながら、櫛歯状流路の場合、特にカソード流路において、発電に伴って発生した生成水が、櫛歯状の一次閉塞流路における先端の閉塞した領域に移動して滞留し、その滞留した生成水がMEAに対する反応ガスの供給を阻害することによって、発電性能が低下してしまうという問題があった。 However, in the case of a comb-shaped channel, particularly in the cathode channel, the generated water generated due to power generation moves to and stays in the closed region of the tip of the comb-shaped primary blocked channel, and stays there. There has been a problem that the power generation performance is reduced by the generated water hindering the supply of the reaction gas to the MEA.
本発明は、上記した課題を踏まえ、燃料電池の発電性能を向上させる技術を提供することを目的とする。 In view of the above-described problems, an object of the present invention is to provide a technique for improving the power generation performance of a fuel cell.
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態または適用例として実現することが可能である。 SUMMARY An advantage of some aspects of the invention is to solve at least a part of the problems described above, and the invention can be implemented as the following forms or application examples.
[適用例1] 適用例1の燃料電池は、電解質膜の両面に電極層を接合した膜電極接合体と、前記膜電極接合体のアノード面に燃料ガスを流すアノード流路とを備え、前記アノード流路は、前記アノード面に前記燃料ガスを供給するアノード供給部と、前記アノード面上で第1方向に沿って往復して蛇行し、前記アノード供給部から供給された燃料ガスを誘導するアノード蛇行流路と、前記アノード面上で前記第1方向に交差する第2方向に沿って延在し、前記アノード蛇行流路を経由した燃料ガスを誘導するアノード後段流路とを含むことを特徴とする。適用例1の燃料電池によれば、アノード面上を流れる燃料ガスの流量は、アノード後段流路よりもアノード蛇行流路の方が大きくなるため、アノード蛇行流路が設けられた膜電極接合体の領域から燃料ガスによって排出される水分量を増加させ、燃料ガスを加湿することができる。その結果、燃料電池の構成上、アノード蛇行流路が設けられた膜電極接合体の領域で水分が過剰に滞留し易い場合に、燃料電池の発電性能を向上させることができる。 Application Example 1 A fuel cell according to Application Example 1 includes a membrane electrode assembly in which electrode layers are bonded to both surfaces of an electrolyte membrane, and an anode flow channel for flowing fuel gas to the anode surface of the membrane electrode assembly, The anode flow path is meandering in a reciprocating manner along the first direction on the anode surface and the anode supply portion for supplying the fuel gas to the anode surface, and guides the fuel gas supplied from the anode supply portion An anode meandering flow path, and an anode latter flow path that extends along a second direction intersecting the first direction on the anode surface and guides fuel gas via the anode meandering flow path. Features. According to the fuel cell of Application Example 1, since the flow rate of the fuel gas flowing on the anode surface is larger in the anode meandering channel than in the anode latter-stage channel, the membrane electrode assembly provided with the anode meandering channel is provided. It is possible to increase the amount of water discharged from the region by the fuel gas and humidify the fuel gas. As a result, the power generation performance of the fuel cell can be improved when the fuel cell configuration tends to cause excessive retention of water in the region of the membrane electrode assembly provided with the anode meandering flow path.
[適用例2] 適用例1の燃料電池であって、更に、前記膜電極接合体のカソード面に酸化ガスを流すカソード流路を備え、前記カソード流路は、前記アノード面の前記アノード後段流路側に対応する前記カソード面の領域に前記酸化ガスを供給するカソード供給部と、前記アノード後段流路から前記アノード蛇行流路に至る前記アノード面の領域に対応して前記カソード面上で前記第2方向に沿って延在し、相互に分離して噛み合う櫛歯状に形成され、前記カソード供給部から供給された酸化ガスを誘導するカソード閉塞流路とを含むとしても良い。適用例2の燃料電池によれば、燃料ガスに対向する側から酸化ガスを流すカソード流路に櫛歯状の流路を適用した燃料電池において、カソード閉塞流路における供給側の閉塞領域に滞留した水分を、アノード蛇行流路を流れる燃料ガスによって排出することができるため、燃料電池の発電性能を向上させることができる。 [Application Example 2] The fuel cell according to Application Example 1, further including a cathode flow channel for flowing an oxidizing gas to the cathode surface of the membrane electrode assembly, wherein the cathode flow channel is the anode rear-stage flow on the anode surface. A cathode supply section for supplying the oxidizing gas to a region of the cathode surface corresponding to a roadside; and a region on the cathode surface corresponding to a region of the anode surface extending from the anode downstream flow path to the anode meandering flow path. A cathode closing channel that extends along two directions, is formed in a comb-teeth shape that is separated from and meshes with each other, and guides the oxidizing gas supplied from the cathode supply unit may be included. According to the fuel cell of the application example 2, in the fuel cell in which the comb-like channel is applied to the cathode channel through which the oxidizing gas flows from the side facing the fuel gas, the fuel cell stays in the supply-side blocking region in the cathode blocking channel. The generated water can be discharged by the fuel gas flowing through the anode meandering channel, so that the power generation performance of the fuel cell can be improved.
[適用例3] 適用例2の燃料電池であって、前記第1方向に沿った前記アノード蛇行流路の幅は、前記第1方向に沿った前記カソード閉塞流路の幅に等しいと良い。適用例3の燃料電池によれば、カソード閉塞流路における供給側の閉塞領域に滞留した水分を、アノード蛇行流路を流れる燃料ガスによって効果的に排出することができる。 Application Example 3 In the fuel cell according to Application Example 2, the width of the anode meandering channel along the first direction may be equal to the width of the cathode blocking channel along the first direction. According to the fuel cell of the application example 3, the water staying in the supply side closed region in the cathode closed channel can be effectively discharged by the fuel gas flowing through the anode meandering channel.
[適用例4] 適用例1ないし適用例3のいずれかの燃料電池であって、前記アノード後段流路は、相互に分離して噛み合う櫛歯状に形成された閉塞流路であっても良い。適用例4によれば、アノード後段流路に櫛歯状の流路を適用した燃料電池の発電性能を向上させることができる。 Application Example 4 In the fuel cell according to any one of Application Example 1 to Application Example 3, the anode rear-stage flow path may be a closed flow path formed in a comb-teeth shape that is separated and meshed with each other. . According to the application example 4, it is possible to improve the power generation performance of the fuel cell in which the comb-shaped flow path is applied to the anode downstream flow path.
本発明の形態は、燃料電池に限るものではなく、例えば、燃料電池の構成部材、燃料電池を備える車両、燃料電池を運転する燃料電池システムなどの種々の形態に適用することも可能である。また、本発明は、前述の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内において様々な形態で実施し得ることは勿論である。 The form of the present invention is not limited to a fuel cell, and can be applied to various forms such as a fuel cell component, a vehicle equipped with a fuel cell, and a fuel cell system that operates the fuel cell. Further, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and it is needless to say that the present invention can be implemented in various forms without departing from the spirit of the present invention.
以上説明した本発明の構成および作用を一層明らかにするために、以下本発明を適用した燃料電池について説明する。 In order to further clarify the configuration and operation of the present invention described above, a fuel cell to which the present invention is applied will be described below.
A.実施例:
図1は、燃料電池10の構成を示す説明図である。燃料電池10は、反応ガスを用いて電気化学的に発電する。本実施例では、燃料電池10は、固体高分子型の燃料電池であり、水素を含有する燃料ガス、および酸素を含有する酸化ガスを反応ガスとして用いる。本実施例では、燃料電池10で用いられる燃料ガスは、貯蔵タンクに貯蔵された水素ガスであるが、他の実施形態において、水素吸蔵合金に貯蔵された水素ガスであっても良いし、炭化水素系燃料を改質して得られる水素ガスであっても良い。本実施例では、燃料電池10で用いられる酸化ガスは、外気から取り込まれた空気である。
A. Example:
FIG. 1 is an explanatory diagram showing the configuration of the
燃料電池10は、反応ガスから直接的に電気を取り出す電気化学反応を行う複数のセル15を備え、これら複数のセル15は相互に積層されている。燃料電池10のセル15は、膜電極接合体(MEA)20と、アノードセパレータ30と、カソードセパレータ50とを備える。アノードセパレータ30およびカソードセパレータ50は、MEA20に積層された積層部材であり、MEA20は、アノードセパレータ30とカソードセパレータ50との間に挟持されている。
The
燃料電池10のMEA20は、電解質膜210と、アノード電極230と、カソード電極250とを備える。MEA20のアノード電極230は、アノード触媒層231と、アノード拡散層235とを含み、MEA20のカソード電極250は、カソード触媒層251と、カソード拡散層255とを含む。電解質膜210の一方の面には、アノード触媒層231、アノード拡散層235の順に積層してアノード電極230が接合されている。電解質膜210における他方の面には、カソード触媒層251、カソード拡散層255の順に積層してカソード電極250が接合されている。
The
MEA20の電解質膜210は、プロトン伝導性を有するプロトン伝導体であり、本実施例では、アイオノマ樹脂を用いたパーフルオロスルホン酸イオン交換膜である。MEA20のアノード触媒層231およびカソード触媒層251は、ガス透過性,導電性を有し、水素と酸素との電気化学反応を促進させる触媒(例えば、白金、白金合金)を担持した材料で形成され、本実施例では、白金系触媒を担持した炭素担体で形成されている。MEA20のアノード拡散層235およびカソード拡散層255は、ガス透過性,導電性を有する材料で形成され、例えば、カーボン製の多孔体であるカーボンクロスやカーボンペーパで形成することができる。
The
燃料電池10のアノードセパレータ30は、MEA20のアノード拡散層235側の面であるアノード面に燃料ガスを流すアノード流路40を形成し、燃料電池10のカソードセパレータ50は、MEA20のカソード拡散層255側の面であるカソード面に酸化ガスを流すカソード流路60を形成する。アノードセパレータ30およびカソードセパレータ50は、MEA20で生じた電気の集電に十分な導電性を有すると共に、MEA20に反応ガスを流すのに十分な耐久性、耐熱性およびガス不透過性を有する。本実施例では、アノードセパレータ30およびカソードセパレータ50は、カーボン樹脂で形成されているが、他の実施形態において、ステンレス、チタン、チタン合金、導電性セラミックスで形成しても良い。本実施例では、アノードセパレータ30とカソードセパレータ50とを別々に構成したが、他の実施形態において、アノードセパレータ30とカソードセパレータ50とを一体的に構成しても良い。
The
図2は、アノードセパレータ30の詳細構成を示す説明図である。図2には、MEA20側から見たアノードセパレータ30の形状を図示した。図2には、燃料ガスの流れを白抜きの矢印を用いて図示した。本実施例では、MEA20側から見たアノードセパレータ30の形状は、長方形である。
FIG. 2 is an explanatory diagram showing a detailed configuration of the
アノードセパレータ30は、外壁部310と、孔部311〜316と、突出部320と、流路壁部330と、流路壁部350と、突出部370とを備える。アノードセパレータ30の外壁部310および流路壁部330,350は、MEA20のアノード電極230側に当接する部位である。
The
アノードセパレータ30は、アノードセパレータ30の各部とMEA20との間に区画された流路としてアノード流路40を形成する。アノード流路40は、アノード供給部41と、アノード蛇行流路43と、アノード後段流路45と、アノード回収部48とを備える。図2では、アノードセパレータ30によって形成されるアノード流路40の形状認識を容易にするために、アノードセパレータ30の外壁部310、突出部320、流路壁部330,350、突出部370にハッチングを施した。
The
アノードセパレータ30の孔部311〜316は、アノードセパレータ30を貫通する孔を形成する。孔部311、孔部312、孔部313は、長方形のアノードセパレータ30における一方の短辺に沿って順に設けられ、孔部314、孔部315、孔部316は、長方形のアノードセパレータ30における他方の短辺に沿って順に設けられている。
The
本実施例では、孔部311は、燃料電池10における複数のセル15の各々に供給するための燃料ガスを流す流路の一部を構成し、孔部316は、燃料電池10における複数のセル15の各々から回収された燃料ガスを流す流路の一部を構成する。本実施例では、孔部315は、燃料電池10における複数のセル15の各々に供給するための酸化ガスを流す流路の一部を構成し、孔部312は、燃料電池10における複数のセル15の各々から回収された酸化ガスを流す流路の一部を構成する。本実施例では、孔部313は、燃料電池10における複数のセル15の各々に供給するための冷却水を流す流路の一部を構成し、孔部314は、燃料電池10における複数のセル15の各々から回収された冷却水を流す流路の一部を構成する。
In this embodiment, the
本実施例の説明では、長方形のアノードセパレータ30における短辺に沿って孔部311から孔部313に向かう方向を第1方向であるX軸方向として定義し、長方形のアノードセパレータ30における長辺に沿って孔部311から孔部314に向かう方向を第2方向であるY軸方向として定義する。
In the description of this embodiment, the direction from the
アノードセパレータ30の外壁部310は、MEA20のアノード拡散層235に当接した状態で、MEA20において発電が行われる部位に対応する発電領域25を囲繞する。アノードセパレータ30では、発電領域25は、燃料ガスの供給側である孔部311、および燃料ガスの回収側である孔部316へと連通され、酸化ガスのための孔部312,315、および冷却水のための孔部313,316から隔離される。発電領域25は、アノード蛇行流路43が形成された第1領域21と、アノード後段流路45が形成された第2領域22とを含む。本実施例では、発電領域25は長方形であり、第1領域21と第2領域22とはX軸方向に沿って区画される。本実施例では、第1領域21の面積よりも第2領域22の面積の方が大きい。
The
アノード流路40のアノード供給部41は、アノードセパレータ30の孔部311から発電領域25の第1領域21にわたって形成される。アノード供給部41は、孔部311と発電領域25との間を連通する流路であり、発電領域25に燃料ガスを供給する。本実施例では、アノード供給部41には、燃料ガスの流れを調整するために、複数の突出部320が相互に離間した状態でMEA20に向けて突設されている。
The
アノード流路40のアノード回収部48は、発電領域25の第2領域22からアノードセパレータ30の孔部316にわたって形成される。アノード回収部48は、発電領域25と孔部316との間を連通する流路であり、発電領域25から燃料ガスを回収する。本実施例では、アノード回収部48には、燃料ガスの流れを調整するために、複数の突出部370が相互に離間した状態でMEA20に向けて突設されている。
The
アノードセパレータ30の流路壁部330は、MEA20のアノード拡散層235に当接した状態でアノード流路40のアノード蛇行流路43を形成する。アノード蛇行流路43は、発電領域25の第1領域21においてX軸方向に沿って往復して蛇行する流路である。アノード蛇行流路43は、アノード流路40のアノード供給部41から供給された燃料ガスをアノード後段流路45に誘導しつつ、MEA20のアノード拡散層235に燃料ガスを拡散させる。本実施例では、X軸方向に沿ったアノード蛇行流路43の幅W1は、X軸方向に沿った発電領域25の幅に等しい。本実施例では、アノード蛇行流路43による蛇行の折り返しは2回であるが、他の実施形態において、1回でも良いし、3回以上であっても良い。本実施例では、アノード蛇行流路43は、3本の流路が併走する流路であるが、他の実施形態において、単独の流路であっても良いし、2本の流路であっても良いし、4本以上の流路であっても良い。
The
アノードセパレータ30の流路壁部350は、MEA20のアノード拡散層235に当接した状態でアノード流路40のアノード後段流路45を形成する。アノード後段流路45は、発電領域25の第2領域22においてY軸方向に沿って延在し、相互に分離して噛み合う櫛歯状に形成された閉塞流路である。アノード後段流路45は、アノード蛇行流路43を経由した燃料ガスをアノード回収部48に誘導しつつ、MEA20のアノード拡散層235に燃料ガスを拡散させる。アノード後段流路45は、アノード蛇行流路43側に連通する櫛歯流路である一次閉塞流路451と、アノード回収部48側に連通する櫛歯流路である二次閉塞流路455とを備える。一次閉塞流路451を流れる燃料ガスは、アノード拡散層235を通じて流路壁部350の下を潜り抜け二次閉塞流路455に移動する。
The
図3は、カソードセパレータ50の詳細構造を示す説明図である。図3には、MEA20側から見たカソードセパレータ50の形状を図示した。図3には、酸化ガスの流れを白抜きの矢印を用いて図示した。本実施例では、MEA20側から見たカソードセパレータ50の形状は、アノードセパレータ30と同様に長方形である。
FIG. 3 is an explanatory view showing the detailed structure of the
カソードセパレータ50は、外壁部510と、孔部511〜516と、突出部520と、流路壁部550と、突出部570とを備える。カソードセパレータ50の外壁部510および流路壁部550は、MEA20のカソード電極250側に当接する部位である。
The
カソードセパレータ50は、カソードセパレータ50の各部とMEA20との間に区画された流路としてカソード流路60を形成する。カソード流路60は、カソード供給部61と、カソード閉塞流路65と、カソード回収部68とを備える。図3では、カソードセパレータ50によって形成されるカソード流路60の形状認識を容易にするために、外壁部510および流路壁部550にハッチングを施した。
The
カソードセパレータ50の孔部511〜516は、カソードセパレータ50を貫通する孔を形成する。孔部511、孔部512、孔部513は、長方形のカソードセパレータ50における一方の短辺に沿って順に設けられ、孔部514、孔部515、孔部516は、長方形のカソードセパレータ50における他方の短辺に沿って順に設けられている。
The
本実施例では、孔部511は、燃料電池10における複数のセル15の各々に供給するための燃料ガスを流す流路の一部を構成し、孔部516は、燃料電池10における複数のセル15の各々から回収された燃料ガスを流す流路の一部を構成する。本実施例では、孔部515は、燃料電池10における複数のセル15の各々に供給するための酸化ガスを流す流路の一部を構成し、孔部512は、燃料電池10における複数のセル15の各々から回収された酸化ガスを流す流路の一部を構成する。本実施例では、孔部513は、燃料電池10における複数のセル15の各々に供給するための冷却水を流す流路の一部を構成し、孔部514は、燃料電池10における複数のセル15の各々から回収された冷却水を流す流路の一部を構成する。
In the present embodiment, the
アノードセパレータ30の説明において定義したX軸方向は、長方形のカソードセパレータ50における短辺に沿って孔部511から孔部513に向かう方向に対応する。アノードセパレータ30の説明において定義したY軸方向は、長方形のカソードセパレータ50における長辺に沿って孔部511から孔部514に向かう方向に対応する。
The X-axis direction defined in the description of the
カソードセパレータ50の外壁部510は、MEA20のカソード拡散層255に当接した状態で発電領域25を囲繞する。カソードセパレータ50では、発電領域25は、酸化ガスの供給側である孔部515、および酸化ガスの回収側である孔部512へと連通され、燃料ガスのための孔部511,514、および冷却水のための孔部513,516から離隔される。
The
カソード流路60のカソード供給部61は、カソードセパレータ50の孔部515から発電領域25の第2領域22にわたって形成される。カソード供給部61は、孔部515と発電領域25との間を連通する流路であり、発電領域25に酸化ガスを供給する。本実施例では、カソード供給部61には、酸化ガスの流れを調整するために、複数の突出部520が相互に離間した状態でMEA20に向けて突設されている。
The
カソード流路60のカソード回収部68は、発電領域25の第1領域21からカソードセパレータ50の孔部512にわたって形成される。カソード回収部68は、発電領域25と孔部512との間を連通する流路であり、発電領域25から酸化ガスを回収する。本実施例では、カソード回収部68には、酸化ガスの流れを調整するために、複数の突出部570が相互に離間した状態でMEA20に向けて突設されている。
The
カソードセパレータ50の流路壁部550は、MEA20のカソード拡散層255に当接した状態でカソード流路60のカソード閉塞流路65を形成する。カソード閉塞流路65は、発電領域25の第2領域22から第1領域21にわたってY軸方向に沿って延在し、相互に分離して噛み合う櫛歯状に形成された閉塞流路である。カソード閉塞流路65は、カソード供給部61からカソード回収部68に燃料ガスを誘導しつつ、MEA20のカソード拡散層255に酸化ガスを拡散させる。カソード閉塞流路65は、カソード供給部61側に連通する櫛歯流路である一次閉塞流路651と、カソード回収部68側に連通する櫛歯流路である二次閉塞流路655とを備える。一次閉塞流路651を流れる酸化ガスは、カソード拡散層255を通じて流路壁部550の下を潜り抜け二次閉塞流路655に移動する。一次閉塞流路651における先端の閉塞した閉塞領域654は、発電領域25の第1領域21に位置する。
The
本実施例では、X軸方向に沿ったカソード閉塞流路65の幅W2は、X軸方向に沿った発電領域25の幅に等しい。すなわち、X軸方向に沿ったアノード蛇行流路43の幅W1は、X軸方向に沿ったカソード閉塞流路65の幅W2に等しい。他の実施形態において、アノード蛇行流路43の幅W1は、カソード閉塞流路65の幅W2よりも大きくても良いし、小さくても良い。
In the present embodiment, the width W2 of the
図4は、MEA20における水分の透過特性を示す説明図である。図4には、カソード側加湿量を横軸に設定し、アノード側透水量を縦軸に設定して、MEA20における水分の透過特性を図示した。横軸に設定されたカソード側加湿量は、MEA20のカソード電極250に供給される酸化ガスの加湿量を示す。縦軸に設定されたアノード側透水量は、MEA20のカソード電極250からアノード電極230に透過して燃料ガスを加湿する水分量を示す。図4の評価試験では、膜厚が20マイクロメートルのMEA20を用意し、酸化ガスの流量を1リットル/分に固定した状態で無加湿の燃料ガスを流し、カソード側加湿量および燃料ガスの流量を変化させてアノード側透水量を測定した。図4に示すように、カソード側加湿量および燃料ガスの流量が増加する程、アノード側透水量が増加することが分かる。
FIG. 4 is an explanatory view showing moisture transmission characteristics in the
図5は、アノード流路40における燃料ガスの湿度変化を示す説明図である。図5には、アノード流路40の位置を横軸に設定し、燃料ガスの相対湿度を縦軸に設定して、アノード流路40における燃料ガスの湿度変化を図示した。図5の横軸に設定した位置S1は、発電領域25における第1領域21側の端部に対応する位置であり、位置S2は、発電領域25における第1領域21と第2領域22との境界に対応する位置であり、位置S3は、発電領域25における第2領域22側の端部に対応する位置である。
FIG. 5 is an explanatory view showing a change in the humidity of the fuel gas in the
アノード流路40を流れる燃料ガスは、位置S1、位置S2、位置S3の順に流れつつ、発電に伴う生成水によって加湿される。燃料ガスは、位置S1から位置S2の間ではアノード流路40のアノード蛇行流路43を流れ、位置S2から位置S3の間ではアノード流路40のアノード後段流路45を流れる。位置S1から位置S2の間は、発電領域25の第1領域21に対応し、位置S2から位置S3の間は、発電領域25の第2領域22に対応する。
The fuel gas flowing through the
図5に示すように、位置S1から位置S2の間(発電領域25の第1領域21)におけるアノード蛇行流路43では、Y軸方向に延在する櫛歯状流路(図5の一点鎖線)に比べて燃料ガスの流量が増加するため、燃料ガスによってMEA20から排除される水分量が増加し、燃料ガスの湿度も増加する。カソード流路60における一次閉塞流路651の閉塞領域654は、発電領域25の第1領域21に位置することから、閉塞領域654に滞留する水分は、MEA20のカソード電極250側からアノード電極230側へ透過して、アノード蛇行流路43を流れる燃料ガスによって排除される。
As shown in FIG. 5, in the
以上説明した燃料電池10によれば、アノード電極230上を流れる燃料ガスの流量は、アノード後段流路45よりもアノード蛇行流路43の方が大きくなるため、アノード蛇行流路43が設けられた第1領域21から燃料ガスによって排出される水分量を増加させ、燃料ガスを加湿することができる。
According to the
また、燃料ガスに対向する側から酸化ガスを流すカソード流路60に櫛歯状流路を適用した燃料電池10において、カソード閉塞流路65における一次閉塞流路651の閉塞領域654に滞留した水分を、アノード蛇行流路43を流れる燃料ガスによって排出することができるため、燃料電池10の発電性能を向上させることができる。
Further, in the
また、アノード蛇行流路43の幅W1は、カソード閉塞流路65の幅W2に等しいため、カソード閉塞流路65における閉塞領域654に滞留した水分を、アノード蛇行流路43を流れる燃料ガスによって効果的に排出することができる。
Further, since the
B.他の実施形態:
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこうした実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内において様々な形態で実施し得ることは勿論である。例えば、アノード流路40のアノード後段流路45は、櫛歯状流路に限るものではなく、他の閉塞流路や貫通流路であっても良い。また、カソード流路60のカソード閉塞流路65は、櫛歯状流路に限るものではなく、他の閉塞流路や貫通流路であっても良い。
B. Other embodiments:
Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to these embodiments, and can of course be implemented in various forms without departing from the spirit of the present invention. is there. For example, the anode
10…燃料電池
15…セル
20…膜電極接合体(MEA)
21…第1領域
22…第2領域
25…発電領域
30…アノードセパレータ
40…アノード流路
41…アノード供給部
43…アノード蛇行流路
45…アノード後段流路
48…アノード回収部
50…カソードセパレータ
60…カソード流路
61…カソード供給部
65…カソード閉塞流路
68…カソード回収部
210…電解質膜
230…アノード電極
231…アノード触媒層
235…アノード拡散層
250…カソード電極
251…カソード触媒層
255…カソード拡散層
310…外壁部
311〜316…孔部
320…突出部
330…流路壁部
350…流路壁部
370…突出部
451…一次閉塞流路
455…二次閉塞流路
510…外壁部
511〜516…孔部
520…突出部
550…流路壁部
570…突出部
651…一次閉塞流路
654…閉塞領域
655…二次閉塞流路
DESCRIPTION OF
DESCRIPTION OF SYMBOLS 21 ... 1st area |
Claims (4)
電解質膜の両面に電極層を接合した膜電極接合体と、
前記膜電極接合体のアノード面に燃料ガスを流すアノード流路と
を備え、
前記アノード流路は、
前記アノード面に前記燃料ガスを供給するアノード供給部と、
前記アノード面上で第1方向に沿って往復して蛇行し、前記アノード供給部から供給された燃料ガスを誘導するアノード蛇行流路と、
前記アノード面上で前記第1方向に交差する第2方向に沿って延在し、前記アノード蛇行流路を経由した燃料ガスを誘導するアノード後段流路と
を含む、燃料電池。 A fuel cell,
A membrane electrode assembly in which electrode layers are bonded to both surfaces of the electrolyte membrane;
An anode flow path for flowing fuel gas on the anode surface of the membrane electrode assembly,
The anode channel is
An anode supply unit for supplying the fuel gas to the anode surface;
An anode meandering channel that reciprocates along the first direction on the anode surface and guides the fuel gas supplied from the anode supply unit;
A fuel cell comprising: an anode rear-stage channel that extends along a second direction intersecting the first direction on the anode surface, and that guides fuel gas through the anode meandering channel.
更に、前記膜電極接合体のカソード面に酸化ガスを流すカソード流路を備え、
前記カソード流路は、
前記アノード面の前記アノード後段流路側に対応する前記カソード面の領域に前記酸化ガスを供給するカソード供給部と、
前記アノード後段流路から前記アノード蛇行流路に至る前記アノード面の領域に対応して前記カソード面上で前記第2方向に沿って延在し、相互に分離して噛み合う櫛歯状に形成され、前記カソード供給部から供給された酸化ガスを誘導するカソード閉塞流路と
を含む、燃料電池。 The fuel cell according to claim 1,
Furthermore, a cathode channel for flowing an oxidizing gas on the cathode surface of the membrane electrode assembly is provided,
The cathode channel is
A cathode supply section for supplying the oxidizing gas to a region of the cathode surface corresponding to the anode downstream flow path side of the anode surface;
Corresponding to the area of the anode surface extending from the anode rear-stage flow path to the anode meandering flow path, it extends along the second direction on the cathode surface, and is formed in a comb-teeth shape that meshes with each other separately. And a cathode blockage channel for guiding the oxidizing gas supplied from the cathode supply unit.
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US10714774B2 (en) | 2017-07-12 | 2020-07-14 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Fuel cell system |
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2010
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