JP2012018883A - 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、燃料とその酸化剤、例えば、水素と酸素の電気化学反応によって発電する。この燃料電池は、概ね、電解質膜(例えば、プロトン伝導性を有する固体高分子膜)の両膜面にアノードとカソードの電極を形成した膜電極接合体(発電体)を、ガス拡散層を介在させた上でセパレーターで挟持して構成される。 A fuel cell generates electricity by an electrochemical reaction between fuel and its oxidant, for example, hydrogen and oxygen. This fuel cell generally includes a membrane electrode assembly (power generator) in which anode and cathode electrodes are formed on both membrane surfaces of an electrolyte membrane (for example, a solid polymer membrane having proton conductivity), and a gas diffusion layer interposed. And then sandwiched between separators.
このような燃料電池において、ガスの利用率を向上させて電池性能を向上させるための種々の提案がなされてきた。その一つとして、燃料ガスあるいは酸化ガスの流路の形状を、櫛歯状に分岐して流路末端で閉塞された複数の流路を、閉塞側が互い違いになるように交互に配列する構成が提案されている(例えば、特許文献1等)。このような流路構成の燃料電池では、供給されたガスは、まず、ガス入口側が開放されて末端が閉塞された流路に流入する。この流路に流入したガスは、流路末端の閉塞により、流路間のリブが当接するガス拡散層を透過して、隣の流路に流入する。この隣の流路は、先の流路とは逆にガス入口側で閉塞されガス出口側で解放されていることから、当該隣の流路に流入したガスは、ガス拡散層の表面に沿って流しつつガス排出を行うので、ガス拡散層全体にガスが行き渡る効率が高まり、電極面全体でガス利用率が向上する。 In such a fuel cell, various proposals have been made to improve the cell performance by improving the gas utilization rate. As one of them, the configuration of the flow path of the fuel gas or the oxidizing gas is a configuration in which a plurality of flow paths that are branched in a comb shape and closed at the end of the flow path are alternately arranged so that the closed sides are staggered. It has been proposed (for example, Patent Document 1). In the fuel cell having such a flow path configuration, the supplied gas first flows into the flow path whose gas inlet side is opened and whose end is closed. The gas that has flowed into the flow path passes through the gas diffusion layer where the ribs between the flow paths abut due to the blockage of the flow path ends, and flows into the adjacent flow path. Since this adjacent flow path is closed on the gas inlet side and released on the gas outlet side contrary to the previous flow path, the gas flowing into the adjacent flow path is along the surface of the gas diffusion layer. Since the gas is discharged while flowing, the efficiency of the gas spreading throughout the gas diffusion layer is increased, and the gas utilization rate is improved over the entire electrode surface.
上記したような流路端部を閉塞した櫛歯状の分岐流路を交互に有する燃料電池にあっては、ガス利用率の向上により電池性能の向上が期待できるものの、次のような問題点が指摘されるに到った。カソード側では、電気化学反応により水が生成され、その生成水は、流路を流れるガスに運ばれて、閉塞した流路末端に貯まることになる。こうして流路末端に貯まった生成水は、流路末端付近のガス拡散層をガスと同様に透過して隣の流路に達して電池外部に排出される。こうした生成水の移動は、隣り合う流路の静圧差によりもたらされるので、ガス拡散層での生成水移動にはある程度の時間が掛かる。このため、生成水が全て貯まって生成水移動が起きる流路末端付近では、この生成水移動の間にあっては、生成水が入り込んだ範囲のガス拡散層ではガス拡散が生成水により阻害され、有効発電面積の低減を招いてしまう。 In the fuel cell having the comb-like branching channels alternately closing the channel ends as described above, although improvement in cell performance can be expected by improving the gas utilization rate, the following problems Came to be pointed out. On the cathode side, water is generated by an electrochemical reaction, and the generated water is carried by the gas flowing through the flow path and stored at the closed flow path end. The generated water stored at the end of the flow path passes through the gas diffusion layer near the end of the flow path in the same manner as the gas, reaches the adjacent flow path, and is discharged outside the battery. Since the movement of the generated water is caused by the difference in static pressure between adjacent flow paths, the generated water movement in the gas diffusion layer takes a certain amount of time. For this reason, in the vicinity of the end of the flow path where all the generated water accumulates and the generated water moves, the gas diffusion is inhibited by the generated water in the gas diffusion layer in the range where the generated water enters, and this is effective. The power generation area will be reduced.
本発明は、上述した従来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、流路端部を閉塞した櫛歯状の分岐流路を有する燃料電池において、水の排水性の向上に寄与する新たな手法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in order to solve at least a part of the above-described conventional problems, and in a fuel cell having a comb-like branched flow path with the flow path end closed, the water drainage is improved. The purpose is to provide a new method that contributes to
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、以下の構成を採用した。 SUMMARY An advantage of some aspects of the invention is to solve at least a part of the problems described above, and the following configuration is adopted.
[適用1:燃料電池]
電解質膜の両膜面に電極を形成した膜電極接合体と、該膜電極接合体の少なくとも一方の電極面に設けられたガス拡散層と、該ガス拡散層に電気化学反応に供される反応ガスを供給するガス流路とを有する燃料電池であって、
前記ガス流路は、
前記反応ガスの供給用のガス供給マニホールドの側から延びて流路末端で閉塞され、前記ガス供給マニホールドから流入した前記反応ガスを前記ガス拡散層の表面に沿って流す複数のガス流入流路と、
ガス排出用のガス排出マニホールドの側から前記ガス流入流路の隣に並んで延びて流路端部で閉塞され、前記ガス流入流路から前記ガス拡散層を透過したガスを受け取って、該ガスを前記ガス拡散層の表面に沿って流しつつ前記ガス排出マニホールドに流出させる複数のガス流出流路とを備え、
前記ガス流入流路は、
前記ガス拡散層の表面の側に位置してガスを堰き止め、ガスの流れ方向を前記ガス拡散層の表面から離れる側に変換する堰部と、
該堰部により前記ガス拡散層の表面から離れる側の流れに変換されたガスを受け止めて、ガスを前記堰部を乗り越えた上で前記ガス拡散層の表面の側に向けて流す流路内変換部とを有する
ことを要旨とする。
[Application 1: Fuel cell]
A membrane electrode assembly in which electrodes are formed on both membrane surfaces of the electrolyte membrane, a gas diffusion layer provided on at least one electrode surface of the membrane electrode assembly, and a reaction that is subjected to an electrochemical reaction in the gas diffusion layer A fuel cell having a gas flow path for supplying gas,
The gas flow path is
A plurality of gas inflow passages extending from the side of the gas supply manifold for supplying the reaction gas, blocked at the end of the flow passage, and flowing the reaction gas flowing in from the gas supply manifold along the surface of the gas diffusion layer; ,
A gas that extends side by side from the gas discharge manifold side for gas discharge and that is blocked at the end of the flow path and that has passed through the gas diffusion layer from the gas flow path, receives the gas A plurality of gas outflow passages for flowing out to the gas discharge manifold while flowing along the surface of the gas diffusion layer,
The gas inflow channel is
A dam section located on the surface side of the gas diffusion layer to block the gas, and a dam portion for converting the gas flow direction to the side away from the surface of the gas diffusion layer;
Receiving the gas converted into the flow on the side away from the surface of the gas diffusion layer by the dam part, and converting the gas in the flow path over the dam part and flowing toward the surface side of the gas diffusion layer And having a part.
上記構成を備える燃料電池では、ガス供給マニホールドから流入した反応ガスを複数のガス流入流路に入り込ませる。当該流路は末端で閉塞されているので、ガス流入流路に入り込んだ反応ガスは、ガス拡散層を透過して隣のガス流出流路に入り込む。こうしてガス流出流路に入り込んだ反応ガスは、ガス拡散層の表面に沿って流れつつガス排出マニホールドから流出される。そして、反応ガスは、ガス流入流路を通過する際と、ガス拡散層を透過する際、および、ガス流出流路を通過する際に、ガス拡散層を経て膜電極接合体に供給される。 In the fuel cell having the above configuration, the reaction gas flowing in from the gas supply manifold is allowed to enter a plurality of gas inflow channels. Since the flow channel is closed at the end, the reaction gas that has entered the gas inflow channel passes through the gas diffusion layer and enters the adjacent gas outflow channel. The reaction gas entering the gas outflow passage in this manner flows out from the gas discharge manifold while flowing along the surface of the gas diffusion layer. The reaction gas is supplied to the membrane electrode assembly through the gas diffusion layer when passing through the gas inflow channel, through the gas diffusion layer, and when passing through the gas outflow channel.
上記構成を備える燃料電池では、ガス流入流路に入り込んだ水(例えば、生成水)を、上記したガス供給に伴って次のようにして排出する。ガス流入流路に沿って流れるガスは、ガス流入流路の堰部で堰き止められて、ガス拡散層の表面から離れる側に向きを変えて流れ、その後は、流路内変換部に受け止められて堰部を乗り越えた上でガス拡散層の表面の側に向けて流れる。こうして流れるガスによりガス流入流路に沿って運ばれる水は、堰部でのガスの堰き止めの際に堰部にぶつかり、堰部に貯まると共に、閉塞された流路末端(以下、流路閉塞末端)にも貯まる。そして、堰部と流路閉塞末端とに貯まった水は、隣り合う流路の静圧差により、ガス流入流路からガス拡散層を透過してその隣のガス流出流路に入り込み、このガス流出流路に沿って運ばれて排出される。つまり、上記構成を備える燃料電池では、水が貯まる箇所(以下、水貯留箇所)を流路閉塞末端と堰部とに分散して、流路閉塞末端と堰部の水貯留箇所での水が貯まる量を低減できる。この結果、上記構成を備える燃料電池によれば、水移動に要する時間の短縮化とこれに伴う排水性の向上を図ることができる。 In a fuel cell having the above-described configuration, water (for example, produced water) that has entered the gas inflow channel is discharged as follows along with the gas supply described above. The gas flowing along the gas inflow channel is blocked by the dam portion of the gas inflow channel, flows in a direction away from the surface of the gas diffusion layer, and thereafter is received by the in-channel conversion unit. After flowing over the weir part, it flows toward the surface of the gas diffusion layer. The water carried along the gas inflow channel by the flowing gas collides with the weir when the gas is blocked in the weir, accumulates in the weir, and closes the end of the blocked channel (hereinafter referred to as channel blockage). It also accumulates at the end. Then, the water accumulated in the weir part and the closed end of the channel passes through the gas diffusion layer from the gas inflow channel and enters the adjacent gas outflow channel due to the static pressure difference between the adjacent channels. It is transported along the flow path and discharged. That is, in the fuel cell having the above-described configuration, the water storage locations (hereinafter referred to as water storage locations) are dispersed in the flow passage closed end and the weir portion, so that The amount stored can be reduced. As a result, according to the fuel cell having the above-described configuration, it is possible to shorten the time required for water movement and improve the drainage performance associated therewith.
上記した燃料電池は、次のような態様とすることができる。例えば、ガスの流れの上流側に向いてガスが衝突する堰き止め面を、前記ガス拡散層の表面となす角が鋭角となるように前記上流側に傾斜させるようにできる。こうすれば、堰部は、その堰上流側面をガスの流れの上流側においてガス拡散層の表面に被さるようにした鋭角状のいわゆる返し領域を形成する。このため、堰部は、堰き止め面とガス拡散層の表面の間の返し領域に確実に水を貯め、その貯めた水を下流側流路に流れないようにする。よって、上記の態様によれば、水貯留箇所の分散が確実となり、水移動に要する時間の短縮化とこれに伴う排水性の向上に有益となる。 The fuel cell described above can be configured as follows. For example, the damming surface on which the gas collides toward the upstream side of the gas flow can be inclined toward the upstream side so that the angle formed with the surface of the gas diffusion layer becomes an acute angle. In this way, the dam part forms an acute-angled so-called return region that covers the surface of the gas diffusion layer on the upstream side of the dam on the upstream side of the gas flow. For this reason, the dam part reliably stores water in the return region between the damming surface and the surface of the gas diffusion layer, and prevents the stored water from flowing into the downstream flow path. Therefore, according to said aspect, dispersion | distribution of a water storage location becomes reliable and it is useful for shortening of the time which water movement requires, and the improvement of the drainage property accompanying this.
また、流路内変換部を、前記ガス拡散層の表面と向き合う流路奥壁の側に形成された流路内凹所として、前記堰部に向けて開口するようにすることもできる。こうすれば、堰部によりガス拡散層の表面から離れる側の流れに変換されたガスの受け止めと、その後の、ガスの堰部の乗り越え、およびガス拡散層の表面の側に向けたガスの流れの変換の実効性を高めることができる。しかも、堰部の上流から下流にかけての流路面積をほぼ一律とできることから、ガスの流れを安定させた上で、上記した時間短縮や排水性向上を図ることができる。 Further, the in-channel conversion portion may be opened toward the dam portion as a recess in the channel formed on the side of the back wall of the channel facing the surface of the gas diffusion layer. In this way, the gas that has been converted into the flow away from the surface of the gas diffusion layer by the weir part, and then the gas flow over the gas weir part and the gas flow toward the surface side of the gas diffusion layer The effectiveness of the conversion can be increased. And since the flow-path area from the upstream of a weir part to downstream can be made substantially uniform, after stabilizing a gas flow, the above-mentioned time reduction and drainage improvement can be aimed at.
そして、前記堰部と前記流路内変換部とを前記ガス流入流路の複数箇所に備えるようにできる。こうすれば、水を貯める堰部が増える分、水貯留箇所の分散が進み、各水貯留箇所で貯まる水の量もより少なくできるので、更なる排水性の向上を図ることができる。 And the said dam part and the said in-flow-path conversion part can be provided in the multiple places of the said gas inflow flow path. If it carries out like this, since the amount of the weir part which stores water will increase, dispersion | distribution of a water storage location will advance, and since the quantity of the water stored in each water storage location can also be reduced, the further drainage improvement can be aimed at.
また、前記ガス流入流路と前記ガス流出流路とを、前記ガス拡散層の表面面内において蛇行した蛇行経路として隣り合わせ、その上で、前記ガス流入流路を前記堰部と前記流路内変換部とを前記蛇行経路に備えるものとできる。こうすれば、蛇行経路に沿ってガスが流れる場合の蛇行箇所では、ガスの流れの変化により、ガス流入流路からガス拡散層を透過して隣のガス流出流路に入り込むガスの流れが進むので、このガスに乗ってガス流入流路からガス流出流路の側への水の移動も促進される。よって、排水性の更なる向上を図ることができる。 Further, the gas inflow channel and the gas outflow channel are adjacent to each other as a meandering path that meanders in the surface of the gas diffusion layer, and the gas inflow channel is further connected to the weir portion and the channel. A conversion unit may be provided in the meandering path. In this way, in the meandering portion where the gas flows along the meandering path, the gas flow advances from the gas inflow passage through the gas diffusion layer and enters the adjacent gas outflow passage due to the change in the gas flow. Therefore, the movement of water on the gas from the gas inflow channel to the gas outflow channel side is also promoted. Therefore, the drainage can be further improved.
以下、本発明の実施の形態について、その実施例を図面に基づき説明する。図1は本発明の一実施例としての燃料電池10を構成する単セル15の概略構成を表わす断面模式図である。本実施例の燃料電池10は、図1に示す構成の単セル15を複数積層したスタック構造を有している。なお、本実施例の燃料電池10は、固体高分子型燃料電池であるが、異なる種類の燃料電池、例えば固体電解質型燃料電池においても、同様に適用可能である。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a schematic configuration of a
単セル15は、電解質膜20の両側にアノード21とカソード22の両電極を備える。このアノード21とカソード22は、電解質膜20の両膜面に形成され膜電極接合体(Membrane Electrode Assembly/MEA)を形成する。この他、単セル15は、電極形成済みの電解質膜20を両側から挟持するガス拡散層23,24とガスセパレーター25,26を備え、両ガス拡散層は、対応する電極に接合されている。ガスセパレーター25は、ガス拡散層23の側に、水素を含有する燃料ガスを流すセル内燃料ガス流路47を備える。ガスセパレーター26は、ガス拡散層24の側に、酸素を含有する酸化ガス(本実施例では、空気)を流すセル内酸化ガス流路48を備える。なお、図1には記載していないが、隣り合う単セル15間には、例えば、冷媒が流れるセル間冷媒流路を形成することができる。
The
電解質膜20は、固体高分子材料、例えばフッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜であり、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。アノード21およびカソード22は、触媒(例えば白金、あるいは白金合金)を備えており、これらの触媒を、導電性を有する担体(例えば、カーボン粒子)上に担持させることによって形成されている。ガス拡散層23,24は、ガス透過性を有する導電性部材、例えば、カーボンペーパやカーボンクロスによって形成することができる。ガスセパレーター25,26は、ガス不透過な導電性部材、例えば、カーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボンや、焼成カーボン、あるいはステンレス鋼などの金属材料により形成されている。ガスセパレーター25,26は、既述したセル内燃料ガス流路47およびセル内酸化ガス流路48の壁面を成す部材であって、その表面には、ガス流路を形成するための凹凸形状が形成されている。
The
なお、図1では図示していないが、ガスセパレーター25,26の外周近傍の所定の位置には、複数の孔部が形成されている。これらの複数の孔部は、ガスセパレーター25,26が他の部材と共に積層されて燃料電池10が組み立てられたときに互いに重なって、燃料電池10内を積層方向に貫通する流路を形成する。すなわち、上記したセル内燃料ガス流路47やセル内酸化ガス流路48、あるいはセル間冷媒流路に対して、燃料ガスや酸化ガス、あるいは冷媒を給排するためのマニホールドを形成する。
Although not shown in FIG. 1, a plurality of holes are formed at predetermined positions in the vicinity of the outer peripheries of the
次に、上記したカソード22の側のガスセパレーター26におけるセル内酸化ガス流路48の詳細について説明する。図2はガスセパレーター26の具体的な形状の一例を平面視して示す説明図、図3は図2における3−3線の概略断面図、図4は図2における4−4線の概略断面図、図5は図2における5−5線の概略断面図、図6は図2における6−6線の概略断面図である。なお、以下の説明では、説明の便宜上、ガスセパレーター26がなす矩形形状の長辺方向を水平方向とし、矩形短辺方向を垂直方向と称する。
Next, the details of the in-cell oxidizing
図示するように、ガスセパレーター26は、垂直方向の2辺に沿って、外周近傍に孔部40〜45を備える。孔部40は、燃料ガス供給マニホールドを形成し(図中、H2 inと示す)、孔部41は冷媒供給マニホールドを形成し(図中、CLT inと示す)、孔部42は酸化ガス供給マニホールドを形成し(図中、O2 inと示す)、孔部43は冷媒排出マニホールドを形成し(図中、CLT outと示す)、孔部44は酸化ガス排出マニホールドを形成し(図中、O2 outと示す)、孔部45は燃料ガス排出マニホールドを形成する(図中、H2 outと示す)。ガスセパレーター26は、カソード22の側のものであることから、孔部42の酸化ガス供給マニホールドからセル内に流入したエアー(酸化ガス)は、このガスセパレーター26で形成された後述のガス流路を通過して、孔部44の酸化ガス排出マニホールドから排出される。こうしたガス供給は、積層された単セル15のそれぞれでなされる。アノード21の側のガスセパレーター25では、孔部40の燃料ガス供給マニホールドからセル内に流入した水素ガス(燃料ガス)は、このガスセパレーター25で形成されたガス流路を通過して、孔部45の燃料ガス排出マニホールドから排出される。
As shown in the drawing, the
図2に示すガスセパレーター26は、その中ほどに、セル内燃料ガス流路が形成されてカソード22と重なって孔部42および孔部44と連通する略四角形状の領域を、発電領域50とする。ガスセパレーター26は、この発電領域50に、水平方向に筋状のガス流路(セル内酸化ガス流路48)を交互に並べて備える。つまり、このガスセパレーター26は、発電領域50において、水平方向に流路間リブ30と溝部32とを交互に備え、それぞれの溝部32を、入口側閉塞部34と出口側閉塞部35とで交互に閉塞する。この場合、入口・出口側の両閉塞部は、流路間リブ30と異なる部材(例えば、セラミックス、カーボン、金属、あるいは、樹脂やゴムで形成の別部材)にて溝部32を閉塞するものでもよく、溝部32を、入口側閉塞部34と出口側閉塞部35とで交互に閉塞するよう、切削等するようにすることもできる。なお、ガスセパレーター26とガス拡散層24との接触抵抗を低減するためには、入口側閉塞部34および出口側閉塞部35を、導電性を有する材料により構成することが望ましい。
The
上記の両閉塞部は、その設置箇所、即ち流路末端或いは端部において溝部32を閉塞する。このため、ガスセパレーター26は、孔部42の側に入口側閉塞部34を備えず孔部44の側に出口側閉塞部35を有する溝部32を複数備えることになり、この複数の溝部32を、ガス供給マニホールド(孔部40)の側から櫛歯状に分岐して流路末端で閉塞され、流入したエアーをカソード22のガス拡散層24の表面に沿って流すガス流入流路48inとする。その一方、ガスセパレーター26は、孔部42の側に入口側閉塞部34を備えて孔部44の側に出口側閉塞部35を有しない溝部32にあっても、これを複数備えることになり、この複数の溝部32を、ガス排出マニホールド(孔部44)の側から櫛歯状に分岐して流路端部で閉塞され、ガス流入流路48inと交互に並んだガス流出流路48outとなる。つまり、単セル15は、櫛歯状に分岐したガス流入流路48inとガス流出流路48outとを流路間リブ30を挟んで交互に有することになる。このガス流入流路48inは、図5に示すように、図中に矢印で示すガスの流れ方向に対して傾斜した堰部49aとこれに対向する凹所49bを有するが、この堰部と凹所についての構成と、両流路におけるガス通過の様子は後述する。ガス流出流路48outにあっては、図6に示すように、こうした堰や凹所は備えず、入口側閉塞部34から始まる単純な流路とされている。
Both the above-mentioned closed portions close the
また、ガスセパレーター26は、発電領域50において、複数の流路間リブ30の端部と孔部40〜42との間の領域、および、複数の流路間リブ30の端部と孔部43〜45との間の領域に、互いに離間して形成された複数の凸部36を備える。これら複数の凸部36は、燃料電池10内では、ガス拡散層24に当接して、セル内ガス流路の壁面の一部を構成する。孔部42が形成するガス供給マニホールドからセル内燃料ガス流路に流入したエアーは、上流側の凸部36の間に形成される空間を導かれて、複数のガス流入流路48inに分配される。
Further, in the
このガス流入流路48inに流れ込んだエアーは、当該流路が出口側閉塞部35でその末端において閉塞されていることから、図3に示すように、ガス流入流路48inとガス流出流路48outを区画する流路間リブ30が当接した範囲のガス拡散層24を透過して隣のガス流出流路48outに入り込む。こうしてガス流出流路48outに入り込んだ反応ガスは、ガス流出流路48outが上記したように単純な流路であることから、ガス拡散層24の表面に沿って抵抗なく流れつつガス排出マニホールド(孔部44)から流出される。そして、エアーは、ガス流入流路48inを通過する際と、流路間リブ30が当接した範囲のガス拡散層24を透過する際(以下、この際のエアー透過をリブ当接箇所エアー透過と称する)、および、ガス流出流路48outを通過する際に、ガス拡散層24を経てMEAに供給される。このリブ当接箇所エアー透過は、隣り合うガス流入流路48inとガス流出流路48outの静圧差により起きる。アノード21の側においても、ガスセパレーター25において上記した流路構成とできる。
The air that has flowed into the gas inflow channel 48in is closed at the end thereof by the outlet
次に、堰部49aと凹所49bについて説明する。図7はガス流入流路48inにおける堰部49aと凹所49bの形成の様子の一例を示す説明図、図8はガス流入流路48inにおけるガスの流れを堰部49aと凹所49bに関連付けて説明するための説明図である。
Next, the
図7に示すように、例えば、ガスセパレーター26に溝部32を交互に形成し、ガス流出流路48outとなる溝部32については、入口側閉塞部34を装着して流路端部を閉塞する。ガス流入流路48inとなる溝部32については、溝部底面に複数の凹所49bを予め形成し、溝部開口凹所49cに堰部49aをはしご状に組み込んだ枠体60を装着する。この場合、溝部開口凹所49cの深さと枠体60の寸法は同一とされ、図における枠体60の下面と堰部49aの下面は面一に調整されている。また、溝部32における複数の凹所49bの形成ピッチと、枠体60における複数の堰部49aの形成ピッチは同じとされている。よって、枠体60の装着を経たガスセパレーター26は、図8に示すように、ガスをガス拡散層24の表面に沿って流すようガス流入流路48inを形成すると共に、その流路において、堰部49aの下面をガス拡散層24に当接させた上で、堰部49aと凹所49bを向き合わせる。
As shown in FIG. 7, for example, the
堰部49aは、ガス拡散層24の表面から立ち上がるようにガス流入流路48inに延びた三角波形状の凸状体であり、ガス流入流路48inを流れるガス(空気)を堰き止める。また、この堰部49aは、ガス流入流路48inを流れるガスの流れ方向を図8に示すようにガス拡散層24の表面から離れる側、即ち凹所49bの側に変換する。しかも、堰部49aは、ガス流入流路48inを流れるガス(空気)の流れの上流側に向いてガスが衝突する堰の堰き止め面を、ガス拡散層24の表面となす角が鋭角となるように上流側に向けて傾斜させている。
The
凹所49bは、図7および図8に示すように、ガス拡散層24の表面と向き合うガス流入流路48inの流路奥壁の側に形成され、堰部49aに向けて開口した凹所とされている。そして、この凹所49bは、図8に示すように、堰部49aによりガス拡散層24の表面から離れる側の流れに変換されたガスを受け止めると共に、その受け止めたガスを堰部49aを乗り越えた上でガス拡散層24の表面の側に向けて流す。
As shown in FIGS. 7 and 8, the
本実施例の燃料電池10では、既述したようにガス流入流路48inとガス流出流路48outのセル内酸化ガス流路48によるカソード22への空気の供給と、セル内燃料ガス流路47によるアノード21への水素の供給を受けて発電し、発電に伴ってカソード22において水を生成する。この生成水は、ガス流入流路48inとガス流出流路48outに入り込む。本実施例の燃料電池10では、この生成水を次のようにして排出する。
In the
本実施例の燃料電池10は、図5および図7〜図8に示すように、ガス流入流路48inに堰部49aと凹所49bを向かい合わせて複数備え、ガス流入流路48inを流れるガス(空気)を堰部49aにて一旦、堰き止める。こうして堰き止められた空気は、ガス拡散層24の表面から離れる側に向きを変えて流れ、その後は、凹所49bに受け止められて堰部49aを乗り越えた上でガス拡散層24の表面の側に向けて流れる。空気の堰き止めと流れ向き変更は、堰部49aと凹所49bの設置箇所で繰り返される。このようにして流れる空気によりガス流入流路48inに沿って運ばれる生成水は、堰部49aでのガス(空気)の堰き止めの際に堰部49aにぶつかり、堰部49aに貯まる。ガス流入流路48inでは空気搬送の動圧が掛かっていることから、生成水は、この動圧を受けて堰部49aに貯まったままとなり、堰部49aを乗り越えた空気に運ばれる生成水は、ガス流入流路48inの出口側閉塞部35に貯まる。そして、それぞれの堰部49aと出口側閉塞部35とに貯まった水は、ガス流入流路48inとその両隣りのガス流出流路48outとのの静圧差により、ガス流入流路48inからガス拡散層24を透過してその両隣のガス流出流路48outに入り込む。ガス流出流路48outは、図6に示すような単純な流路であることから、ガス流出流路48outに入り込んだ生成水は、このガス流出流路48outに沿って空気に運ばれて、燃料電池10から排出される。
As shown in FIGS. 5 and 7 to 8, the
以上説明したように、本実施例の燃料電池10では、生成水を出口側閉塞部35に貯めるばかりか、ガス流入流路48inにガス拡散層24の表面の側から延びる複数の堰部49aにも分散して貯め置くので、出口側閉塞部35と各堰部49aで生成水が貯まる量を低減できる。この結果、本実施例の燃料電池10によれば、水移動に要する時間を短縮できると共に、排水性についてもその向上を図ることができる。その上、出口側閉塞部35と各堰部49aに貯まる生成水量が少ない分、水移動が短時間で済むことから、ガス拡散層24に生成水が留まることも抑制できるので、有効発電面積の確保、延いては電池性能の維持も図ることができる。
As described above, in the
また、本実施例の燃料電池10は、堰部49aをガス拡散層24の表面から延ばすに当たり、この堰部49aを、ガスが衝突する堰の堰き止め面がガス拡散層24の表面となす角が鋭角となるようにガス流入流路48inの流れの上流側に向けて傾斜するようにした。このため、堰部49aの基部には、堰上流側面がガス拡散層24の表面に被さるようにした鋭角状のいわゆる返し領域を形成できるので(図8参照)、本実施例の燃料電池10では、この堰部49aの堰上流側面とガス拡散層の表面の間の返し領域に確実に生成水を貯め、その貯めた生成水を下流側流路に流さないようにできる。よって、本実施例の燃料電池10によれば、それぞれの堰部49aでの生成水の分散貯留が確実とできるので、水移動に要する時間の短縮化と排水性の向上の実効性を高めることができる。
Further, in the
また、本実施例の燃料電池10では、上記のようにガス流入流路48inに傾斜して延びた堰部49aに、ガス流入流路48inに沿った空気搬送を起こす動圧を掛ける。このため、空気搬送のための動圧をも、堰部49aで貯めた生成水をガス拡散層24を透過して隣のガス流出流路48outに移動させるよう作用させるので、水移動に要する時間の短縮化と排水性の向上の実効性をより高めることができる。
Further, in the
この他、本実施例の燃料電池10は、ガス拡散層24の表面から延びた堰部49aに向かい合うよう凹所49bを設け、この凹所49bを堰部49aに向けて開口するようにした。よって、本実施例の燃料電池10によれば、堰部49aによりガス拡散層24の表面から離れる側の流れに変換されたガス(空気)の受け止めと、その後の、ガス(空気)の堰部49aの乗り越え、およびガス拡散層24の表面の側に向けたガスの流れの変換の実効性を高めることができる。しかも、堰部49aの上流から下流にかけての流路面積をほぼ一律とできることから、凹所49bを有する本実施例の燃料電池10によれば、ガス(空気)の流れを安定させた上で、上記した時間短縮や排水性向上を図ることができる。
In addition, the
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこのような実施の形態になんら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において種々なる態様での実施が可能である。例えば、本実施例では、カソード22の側のエアー流路(セル内酸化ガス流路48)を流路端部を閉塞した櫛歯状の分岐流路を交互に有するものとした上で、ガス流入流路48inについては、これを堰部49aと凹所49bとを向かい合わせに有する流路としたが、アノード21のセル内燃料ガス流路47についても、セル内酸化ガス流路48と同様に櫛歯状の分岐流路を交互に有し、ガス流入流路(水素ガス流入流路)については堰部49aと凹所49bとを向かい合わせに有する流路とできる。アノード21に水素ガスを供給する際には、ガスを加湿する場合があるので、加湿のために加えられた水蒸気がセル内燃料ガス流路47において水滴となることが有り得る。そうすると、この水滴は、カソード22について説明した場合と同様にして流路末端の閉塞箇所とガス流入流路(水素ガス流入流路)におけるそれぞれの堰部49aに分散して貯め置かれて、排出されるので、アノード側での排水性も高めることができる。
Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to such embodiments, and can be implemented in various modes without departing from the scope of the present invention. For example, in this embodiment, the air flow path (intra-cell oxidizing gas flow path 48) on the
また、堰部49aおよび凹所49bについては、該当する流路における形成の様子、凹所形状等、種々の変形が可能である。図9は凹所49bの変形例を示す説明図、図10は凹所49bのまた別の変形例を示す説明図である。図9に示すように、この変形例のガスセパレーター26Aは、ガス拡散層24の表面と向かい合うガス流入流路48inの奥側壁面(図における上側壁面)そのものを凹所49bとする。また、図10の変形例のガスセパレーター26Bは、球面状に窪んだ凹所49bを堰部49aに向き合うようにして備える。このような変形例であっても、堰部49aによりガス拡散層24の表面から離れる側の流れに変換されたガス(空気)の受け止めと、その後の、ガス(空気)の堰部49aの乗り越え、およびガス拡散層24の表面の側に向けたガスの流れの変換を行うことができ、上記した効果を奏することができる。
Moreover, about the
図11は堰部49aと凹所49bの他の変形例を示す説明図である。図示するように、この変形例のガスセパレーター26Cは、堰部49aを、ガス拡散層24の表面から上方に延びるようにされた矩形形状の凸状体とし、この堰部49aに向かい合う凹所49bについても、矩形形状で窪んだ凹所49bとする。この変形例であっても、上記した効果を奏することができる。
FIG. 11 is an explanatory view showing another modification of the
また、セル内酸化ガス流路48(ガス流入流路48inおよびガス流出流路48out)については、直線状で隣り合う流路としたが、次のように変形することもできる。図12はガス流入流路48inおよびガス流出流路48outを蛇行軌跡とした変形例を示す説明図である。図示するように、このガスセパレーター26Dは、ガス拡散層24の表面に重なるガス流入流路48inとガス流出流路48outを、三角波状にガス拡散層24の表面面内において蛇行した蛇行経路として隣り合う櫛波状の経路とし、既述したように入口側閉塞部34と出口側閉塞部35で流路端部を閉塞する。そして、ガス流入流路48inは、既述した実施例のガスセパレーター26と同様に複数の堰部49aとこれに向き合う凹所49bを有する。この変形例では、蛇行軌跡流路において直線部が長い側に堰部49aを備え、図におけるX−X線断面は、図5と図8に示した断面と同じである。この変形例であっても、ガス流入流路48inを図中の矢印YAで示すようにその流路(蛇行軌跡流路)に沿って流れるガスに運ばれる水(生成水)については、それぞれの堰部49aでの分散貯め置きを行うので、既述した効果を奏することができる。そして、この変形例では、次の利点がある。
Further, although the in-cell oxidizing gas channel 48 (the gas inflow channel 48in and the gas outflow channel 48out) is a linear and adjacent channel, it can be modified as follows. FIG. 12 is an explanatory view showing a modification in which the gas inflow channel 48in and the gas outflow channel 48out are meandering trajectories. As shown in the figure, the
図中の矢印YAで示すように流れるガスは、蛇行軌跡の蛇行箇所において、流路間の流路間リブ30Aに衝突して、流れの向きを変えるので、このガスに運ばれる生成水も、流路間リブ30Aに衝突して蛇行箇所流路側面に貯まる。ガスは、矢印YAで示す向きに蛇行箇所流路側面に向けて空気搬送の動圧を受けるので、蛇行箇所流路側面に当たる流路間リブ30Aの下のガス拡散層24に透過して、図中の矢印YBに示すように隣のガス流出流路48outの側に入り込む。こうしたガスの拡散層透過と流路への入り込みは、蛇行箇所流路側面に貯まった生成水のガス流出流路48outへの入り込みを起こす。この結果、この変形例によれば、水移動に要する時間のより一層の短縮化と排水性のより一層の向上を図ることができる。なお、蛇行軌跡については、図示する三角波形状の他、湾曲して蛇行した軌跡や、矩形波形状に蛇行した軌跡とすることもできる。
Since the flowing gas as shown by the arrow YA in the figure collides with the
10…燃料電池
15…単セル
20…電解質膜
21…アノード
22…カソード
23…ガス拡散層
24…ガス拡散層
25…ガスセパレーター
26、26A〜26D…ガスセパレーター
30…流路間リブ
30A…流路間リブ
32…溝部
34…入口側閉塞部
35…出口側閉塞部
36…凸部
40〜45…孔部
47…セル内燃料ガス流路
48…セル内酸化ガス流路
48out…ガス流出流路
48in…ガス流入流路
49a…堰部
49b…凹所
49c…溝部開口凹所
50…発電領域
60…枠体
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記ガス流路は、
前記反応ガスの供給用のガス供給マニホールドの側から延びて流路末端で閉塞され、前記ガス供給マニホールドから流入した前記反応ガスを前記ガス拡散層の表面に沿って流す複数のガス流入流路と、
ガス排出用のガス排出マニホールドの側から前記ガス流入流路の隣に並んで延びて流路端部で閉塞され、前記ガス流入流路から前記ガス拡散層を透過したガスを受け取って、該ガスを前記ガス拡散層の表面に沿って流しつつ前記ガス排出マニホールドに流出させる複数のガス流出流路とを備え、
前記ガス流入流路は、
前記ガス拡散層の表面の側に位置してガスを堰き止め、ガスの流れ方向を前記ガス拡散層の表面から離れる側に変換する堰部と、
該堰部により前記ガス拡散層の表面から離れる側の流れに変換されたガスを受け止めて、ガスを前記堰部を乗り越えた上で前記ガス拡散層の表面の側に向けて流す流路内変換部とを有する
燃料電池。 A membrane electrode assembly in which electrodes are formed on both membrane surfaces of the electrolyte membrane, a gas diffusion layer provided on at least one electrode surface of the membrane electrode assembly, and a reaction that is subjected to an electrochemical reaction in the gas diffusion layer A fuel cell having a gas flow path for supplying gas,
The gas flow path is
A plurality of gas inflow passages extending from the side of the gas supply manifold for supplying the reaction gas, blocked at the end of the flow passage, and flowing the reaction gas flowing in from the gas supply manifold along the surface of the gas diffusion layer; ,
A gas that extends side by side from the gas discharge manifold side for gas discharge and that is blocked at the end of the flow path and that has passed through the gas diffusion layer from the gas flow path, receives the gas A plurality of gas outflow passages for flowing out to the gas discharge manifold while flowing along the surface of the gas diffusion layer,
The gas inflow channel is
A dam section located on the surface side of the gas diffusion layer to block the gas, and a dam portion for converting the gas flow direction to the side away from the surface of the gas diffusion layer;
Receiving the gas converted into the flow on the side away from the surface of the gas diffusion layer by the dam part, and converting the gas in the flow path over the dam part and flowing toward the surface side of the gas diffusion layer And a fuel cell.
前記ガス流入流路は、前記堰部と前記流路内変換部とを前記蛇行経路に備える請求項1ないし請求項4のいずれかに記載の燃料電池。 The gas inflow channel and the gas outflow channel are adjacent to each other as a meandering path meandering in the surface of the gas diffusion layer,
The fuel cell according to any one of claims 1 to 4, wherein the gas inflow passage includes the weir portion and the in-flow passage conversion portion in the meandering path.
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