JP2012069377A - Fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池に関し、特に、接触抵抗による発電性能の低下を抑制可能な燃料電池に関する。 The present invention relates to a fuel cell, and more particularly to a fuel cell capable of suppressing a decrease in power generation performance due to contact resistance.
燃料電池、例えば、固体高分子型燃料電池は、電解質膜を挟んで配置される一対の触媒層(アノード側触媒層およびカソード側触媒層)のそれぞれに反応ガス(燃料ガスおよび酸化剤ガス)を供給して電気化学反応を引き起こすことにより、物質の持つ化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する。燃料ガスはアノードガスとも呼ばれ、酸化剤ガスはカソードガスとも呼ばれる。 In a fuel cell, for example, a polymer electrolyte fuel cell, a reaction gas (a fuel gas and an oxidant gas) is applied to each of a pair of catalyst layers (an anode side catalyst layer and a cathode side catalyst layer) disposed with an electrolyte membrane interposed therebetween. By supplying and causing an electrochemical reaction, the chemical energy of the substance is directly converted into electrical energy. The fuel gas is also called anode gas, and the oxidant gas is also called cathode gas.
燃料電池は、一般に、電解質膜と一対の触媒層とを含む膜電極接合体(Membrane Electrode Assembly、MEA)と、膜電極接合体を挟む一対のセパレータと、を有する単位セルが複数枚(例えば数百枚)積層されたスタック構造の態様で利用される。 In general, a fuel cell has a plurality of unit cells (for example, several) having a membrane electrode assembly (MEA) including an electrolyte membrane and a pair of catalyst layers, and a pair of separators sandwiching the membrane electrode assembly. Hundred sheets) Used in the form of a stacked structure.
燃料電池において、単位セル間の接触抵抗を原因とする出力低下を抑制するために、積層された単位セルを複数の異なる締め付け力で締め付けて出力電流や出力電圧を測定し、最終的に、測定出力が最大であった締め付け力で積層された単位セルを締め付ける、という技術が知られている(例えば特許文献1参照)。 In a fuel cell, in order to suppress a decrease in output due to contact resistance between unit cells, the stacked unit cells are tightened with a plurality of different tightening forces, and output current and output voltage are measured. A technique is known in which unit cells that are stacked are tightened with a tightening force having the maximum output (see, for example, Patent Document 1).
しかしながら、上記従来の燃料電池では、依然として単位セル間に接触抵抗が存在するため、発電性能が低下する、という課題があった。このような発電性能の低下は、特に大電流運転時において大きくなる傾向があった。 However, the conventional fuel cell has a problem in that power generation performance deteriorates because contact resistance still exists between unit cells. Such a decrease in power generation performance tends to increase particularly during high current operation.
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、燃料電池の発電性能の低下を抑制することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object thereof is to suppress a decrease in power generation performance of a fuel cell.
上記課題の少なくとも一部を解決するために、本発明は、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。 In order to solve at least a part of the above problems, the present invention can be realized as the following forms or application examples.
[適用例1]第1の反応ガスと第2の反応ガスとを利用して発電を行う燃料電池であって、
導電材料により形成された複数のセパレータであって、それぞれ、積層方向に沿った第1の方向側に冷却媒体用の流路が形成されると共に前記第1の方向とは反対の第2の方向側に前記第1の反応ガス用の流路が形成された第1の部分と、前記第1の部分の前記第2の方向側に位置して前記第1の部分に連結され、前記第1の方向側に前記第1の反応ガス用の流路が形成されると共に前記第2の方向側に冷却媒体用の流路が形成された第2の部分と、前記第2の部分の前記第2の方向側に位置して前記第2の部分に連結され、前記第1の方向側および前記第2の方向側に前記第2の反応ガス用の流路が形成された第3の部分と、を含み、一の前記セパレータの前記第1の部分と前記第2の部分との間に他の前記セパレータの前記第3の部分が位置するように積層された複数のセパレータと、
電解質膜と前記電解質膜を挟む一対の触媒層とを含む発電体層であって、一の前記セパレータの前記第1の部分と他の前記セパレータの前記第3の部分との間と、一の前記セパレータの前記第2の部分と他の前記セパレータの前記第3の部分との間と、に配設された発電体層と、
一の前記セパレータの前記第1の部分と他の前記セパレータの前記第2の部分との間に配設された絶縁体層と、を備える、燃料電池。
Application Example 1 A fuel cell that generates power using a first reaction gas and a second reaction gas,
A plurality of separators formed of a conductive material, each having a cooling medium flow path formed on the first direction side along the stacking direction and a second direction opposite to the first direction A first portion in which a flow path for the first reactive gas is formed on the side, and is connected to the first portion located on the second direction side of the first portion, and A second portion in which a flow path for the first reactive gas is formed on the direction side and a flow path for a cooling medium is formed on the second direction side, and the second portion of the second portion. A third portion located on the second direction side and connected to the second portion, wherein the second direction gas flow path is formed on the first direction side and the second direction side; The third portion of the other separator is between the first portion and the second portion of one separator. A plurality of separators which are stacked so that location,
A power generation layer including an electrolyte membrane and a pair of catalyst layers sandwiching the electrolyte membrane, between the first portion of one separator and the third portion of the other separator, A power generator layer disposed between the second portion of the separator and the third portion of the other separator;
A fuel cell comprising: an insulator layer disposed between the first portion of one of the separators and the second portion of the other separator.
この燃料電池は、導電材料により形成された複数のセパレータを備える。複数のセパレータのそれぞれは、第1の部分と、第1の部分の第2の方向側に位置して第1の部分に連結された第2の部分と、第2の部分の第2の方向側に位置して第2の部分に連結された第3の部分とを含む。第1の部分の第1の方向側には冷却媒体用の流路が形成され、第2の方向側には第1の反応ガス用の流路が形成される。第2の部分の第1の方向側には第1の反応ガス用の流路が形成され、第2の方向側には冷却媒体用の流路が形成される。第3の部分の第1の方向側および第2の方向側には第2の反応ガス用の流路が形成される。複数のセパレータは、一のセパレータの第1の部分と第2の部分との間に他のセパレータの第3の部分が位置するように積層される。また、この燃料電池では、一のセパレータの第1の部分と他のセパレータの第3の部分との間と、一のセパレータの第2の部分と他のセパレータの第3の部分との間とに、電解質膜と一対の触媒層とを含む発電体層が配設される。また、この燃料電池では、一のセパレータの第1の部分と他のセパレータの第2の部分との間に、絶縁体層が配設される。そのため、この燃料電池では、セパレータ同士の接触により通電性を確保している箇所が存在しないため、セパレータ同士の接触抵抗による燃料電池の発電性能の低下を抑制することができる。 This fuel cell includes a plurality of separators formed of a conductive material. Each of the plurality of separators includes a first part, a second part connected to the first part located on the second direction side of the first part, and a second direction of the second part And a third part located on the side and connected to the second part. A flow path for the cooling medium is formed on the first direction side of the first portion, and a flow path for the first reactive gas is formed on the second direction side. A flow path for the first reactive gas is formed on the first direction side of the second portion, and a flow path for the cooling medium is formed on the second direction side. A flow path for the second reactive gas is formed on the first direction side and the second direction side of the third portion. The plurality of separators are stacked such that the third portion of the other separator is positioned between the first portion and the second portion of one separator. Further, in this fuel cell, between the first part of one separator and the third part of the other separator, and between the second part of one separator and the third part of the other separator. In addition, a power generator layer including an electrolyte membrane and a pair of catalyst layers is disposed. In this fuel cell, an insulator layer is disposed between the first portion of one separator and the second portion of the other separator. For this reason, in this fuel cell, there is no portion where the conductivity is ensured by the contact between the separators, and therefore it is possible to suppress a decrease in the power generation performance of the fuel cell due to the contact resistance between the separators.
[適用例2]適用例1に記載の燃料電池であって、
前記セパレータの前記第1の部分と前記第2の部分と前記第3の部分との少なくとも1つは、前記流路を形成するための凹凸断面を有する、燃料電池。
[Application Example 2] The fuel cell according to Application Example 1,
At least one of the first part, the second part, and the third part of the separator has a concavo-convex cross section for forming the flow path.
この燃料電池では、簡単な構成でセパレータの各部分の両側に流路を確保することができる。 In this fuel cell, a flow path can be secured on both sides of each part of the separator with a simple configuration.
[適用例3]適用例1または適用例2に記載の燃料電池であって、
前記絶縁体層は、多孔質の絶縁性材料を用いて形成され、
前記冷却媒体用流路には、前記絶縁体層の内部空隙を経由して冷却媒体が供給される、燃料電池。
[Application Example 3] The fuel cell according to Application Example 1 or Application Example 2,
The insulator layer is formed using a porous insulating material,
A fuel cell, wherein a cooling medium is supplied to the cooling medium flow path via an internal space of the insulator layer.
この燃料電池では、冷却媒体の供給および排出のためのマニホールドの形成位置の自由度を向上させることができ、燃料電池の平面最適設計の容易化を実現することができる。 In this fuel cell, the degree of freedom of the formation position of the manifold for supplying and discharging the cooling medium can be improved, and the planar optimization design of the fuel cell can be facilitated.
[適用例4]適用例1ないし適用例3のいずれかに記載の燃料電池であって、
前記第1の反応ガスは燃料ガスであり、前記第2の反応ガスは酸化剤ガスである、燃料電池。
[Application Example 4] The fuel cell according to any one of Application Example 1 to Application Example 3,
The fuel cell, wherein the first reaction gas is a fuel gas and the second reaction gas is an oxidant gas.
この燃料電池では、冷却媒体用の流路が発電体層のアノード側に形成されることとなり、アノード側の温度がカソード側の温度よりも低くなるように電解質膜内に水の濃度勾配を生じさせることができ、カソード側からアノード側への水の拡散を容易にして燃料電池内の水バランスを均一化させることによって発電性能を向上させることができる。 In this fuel cell, the flow path for the cooling medium is formed on the anode side of the power generation layer, and a water concentration gradient is generated in the electrolyte membrane so that the temperature on the anode side is lower than the temperature on the cathode side. Power generation performance can be improved by facilitating the diffusion of water from the cathode side to the anode side and making the water balance in the fuel cell uniform.
[適用例5]適用例1ないし適用例4のいずれかに記載の燃料電池であって、
前記セパレータは、互いに略平行な略板状形状の前記第1の部分と前記第2の部分と前記第3の部分と、前記第1の部分の端部と前記第2の部分の一方の端部とを連結する第1の連結部と、前記第2の部分の他方の端部と前記第3の部分の端部とを連結する第2の連結部と、を含む、燃料電池。
[Application Example 5] The fuel cell according to any one of Application Example 1 to Application Example 4,
The separator includes the first portion, the second portion, the third portion, one end portion of the first portion, and one end portion of the second portion, each having a substantially plate shape that is substantially parallel to each other. A fuel cell comprising: a first connecting portion that connects the first portion, and a second connecting portion that connects the other end portion of the second portion and the end portion of the third portion.
この燃料電池では、セパレータ同士の接触により通電性を確保することなく、複数のセパレータと発電体層と絶縁体層とが積層された燃料電池を構成することができる。 In this fuel cell, a fuel cell in which a plurality of separators, a power generator layer, and an insulator layer are stacked can be configured without securing conductivity by contact between the separators.
なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能であり、例えば、燃料電池、燃料電池用セパレータ、燃料電池システム等の形態で実現することができる。 In addition, this invention can be implement | achieved in various aspects, for example, can be implement | achieved with forms, such as a fuel cell, a separator for fuel cells, a fuel cell system.
次に、本発明の実施の形態を実施例に基づいて以下の順序で説明する。
A.実施例:
B.変形例:
Next, embodiments of the present invention will be described in the following order based on examples.
A. Example:
B. Variations:
A.実施例:
図1は、本発明の実施例における燃料電池システム10の概略構成を示す説明図である。燃料電池システム10は、燃料ガスとしての水素と酸化剤ガスとしての空気とを利用して発電を行うシステムであり、例えば車両に搭載されて車両の動力源として使用される。
A. Example:
FIG. 1 is an explanatory diagram showing a schematic configuration of a
燃料電池システム10は、燃料電池100を備えている。燃料電池100は、エンドプレート110と、絶縁板120と、集電板130と、複数のモジュール140と、集電板130と、絶縁板120と、エンドプレート110とが、この順に積層されたスタック構造を有している。燃料電池100の内部には、燃料電池100の積層方向(すなわちモジュール140の面方向に略直交する方向)に伸びる流路として、燃料ガス供給マニホールドと、燃料ガス排出マニホールドと、酸化剤ガス供給マニホールドと、酸化剤ガス排出マニホールドと、冷却媒体供給マニホールドと、冷却媒体排出マニホールドと、が形成されている(いずれも図示せず)。
The
燃料電池100には、高圧水素を貯蔵した水素タンク50から、シャットバルブ51、レギュレータ52、配管53を介して、燃料ガスとしての水素が供給される。燃料電池100に供給された水素は、燃料ガス供給マニホールドを介して各モジュール140に分配され、各モジュール140における発電に利用される。各モジュール140において利用されなかった水素(アノードオフガス)は、燃料ガス排出マニホールドを介して集められ、排出配管63を介して燃料電池100の外部に排出される。なお、燃料電池システム10は、アノードオフガスを配管53側に再循環させる再循環機構を有するとしてもよい。
Hydrogen as fuel gas is supplied to the
燃料電池100には、また、エアポンプ60および配管61を介して、酸化剤ガスとしての空気が供給される。燃料電池100に供給された空気は、酸化剤ガス供給マニホールドを介して各モジュール140に分配され、各モジュール140における発電に利用される。各モジュール140において利用されなかった空気(カソードオフガス)は、酸化剤ガス排出マニホールドを介して集められ、排出配管54を介して燃料電池100の外部に排出される。
The
さらに、燃料電池100には、各モジュール140を冷却するため、ウォーターポンプ71および配管72を介して、ラジエータ70により冷却された冷却媒体が供給される。燃料電池100に供給された冷却媒体は、冷却媒体供給マニホールドを介して各モジュール140に分配され、各モジュール140の冷却に用いられる。その後、冷却媒体は、冷却媒体排出マニホールドを介して集められ、配管73を介してラジエータ70に循環する。冷却媒体としては、例えば水、エチレングリコール等の不凍液、空気などが用いられる。
Further, the cooling medium cooled by the
図2は、燃料電池100を構成する各モジュール140の断面構成を概略的に示す説明図である。図2に示すように、燃料電池100における複数のモジュール140の積層体は、複数のセパレータ20と、複数の発電体層30と、複数の絶縁体層40と、が積層された構成を有している。なお、図2には、燃料電池100における複数のモジュール140の積層体の内、3つのセパレータ20により構成される部分のみを抜き出して示している。
FIG. 2 is an explanatory diagram schematically showing a cross-sectional configuration of each
図3は、セパレータ20の概略形状を示す斜視図である。図2および図3に示すように、セパレータ20は、第1の部分21と第2の部分22と第3の部分23とを含んでいる。第1の部分21と第2の部分22と第3の部分23とは、共に、積層方向に略直交する略平板形状である。また、セパレータ20は、第1の部分21の端部と第2の部分22の一方の端部とを積層方向に沿って連結する第1の連結部24と、第2の部分22の他方の端部と第3の部分23の端部とを積層方向に沿って連結する第2の連結部25と、を含んでいる。すなわち、セパレータ20は、略S字断面形状(クランク断面形状)に形成されている。なお、セパレータ20は、水素透過性が低く導電性を有する材料(例えば金属やカーボン)で形成されている。
FIG. 3 is a perspective view showing a schematic shape of the
図2および図3に示すように、セパレータ20の第1の部分21と第2の部分22と第3の部分23とは、共に、積層方向に沿った凹凸断面を有している。これにより、第1の部分21の積層方向に沿った一方の方向(以下、「第1の方向」と呼ぶ)側に、溝状の冷却媒体用流路26が形成され、第1の部分21の積層方向に沿った他方の方向(以下、「第2の方向」と呼ぶ)側に、溝状の燃料ガス用流路27が形成される。また、第2の部分22の第1の方向側に、溝状の燃料ガス用流路27が形成され、第2の部分22の第2の方向側に、溝状の冷却媒体用流路26が形成される。また、第3の部分23の第1の方向側と第2の方向側とに、溝状の酸化剤ガス用流路28が形成される。なお、燃料ガス用流路27は、上述した燃料ガス供給マニホールドおよび燃料ガス排出マニホールドと連通しており、酸化剤ガス用流路28は、上述した酸化剤ガス供給マニホールドおよび酸化剤ガス排出マニホールドと連通している。
As shown in FIGS. 2 and 3, the
また、複数のセパレータ20は、一のセパレータ20の第1の部分21と第2の部分22との間に他のセパレータ20の第3の部分23が位置するように、すなわち、交互に噛み合わされるようにして、互いに積層されている。
The plurality of
発電体層30は、図2に示すように、カソード側拡散層36と、膜電極接合体35と、アノード側拡散層37とが、順に積層された構成を有している。膜電極接合体35は、電解質膜31と、電解質膜31のカソード側に配置(塗布)されたカソード側触媒層33と、電解質膜31のアノード側に配置(塗布)されたアノード側触媒層34と、から構成されている。
As shown in FIG. 2, the
電解質膜31は、例えば、フッ素系樹脂材料あるいは炭化水素系樹脂材料で形成された固体高分子膜であり、湿潤状態において良好なプロトン導電性を有する。カソード側触媒層33およびアノード側触媒層34は、例えば、電極反応を促進するための触媒としての白金または白金と他の金属からなる合金と、高分子電解質と、により形成されている。カソード側拡散層36およびアノード側拡散層37は、例えば、炭素繊維からなる糸で織成したカーボンクロス、あるいはカーボンペーパまたはカーボンフェルト等によって形成されている。
The
図2に示すように、一のセパレータ20の第1の部分21と他のセパレータ20の第3の部分23との間に、発電体層30が配設される。この位置に配設された発電体層30(例えば図2の30A)は、第1の方向側がアノード側で第2の方向側がカソード側であるような向きとなっている。また、一のセパレータ20の第2の部分22と他のセパレータ20の第3の部分23との間にも、発電体層30が配設される。この位置に配設された発電体層30(例えば図2の30B)は、第1の方向側がカソード側で第2の方向側がアノード側であるような向きとなっている。このように、燃料電池100に含まれる複数の発電体層30は、向きが交互に反対になるように配設されているため、セパレータ20等を挟んで隣接する発電体層30間で、アノード側同士およびカソード側同士が向かい合うこととなる。
As shown in FIG. 2, the
図2に示すように、一のセパレータ20の第1の部分21と他のセパレータ20の第2の部分22との間には、絶縁体層40が配設されている。絶縁体層40は、セパレータ20間の短絡を防ぐと共に、冷却媒体の漏洩を防止する。絶縁体層40は、絶縁性材料を用いて形成されている。なお、本実施例では、絶縁体層40は、多孔質の絶縁性材料を用いて形成されており、絶縁体層40内部の空隙は、上述した冷却媒体供給マニホールドおよび冷却媒体排出マニホールドと連通している。
As shown in FIG. 2, an
また、一のセパレータ20の第1の部分21の先端部と他のセパレータ20の第2の連結部25との間と、一のセパレータ20の第3の部分23の先端部と他のセパレータ20の第1の連結部24との間とには、絶縁封止用接着剤41が配置されている。また、一のセパレータ20の第2の部分22と他のセパレータ20の第3の部分23との間に配設された発電体層30(例えば図2の30B)の第1の連結部24に面する側とは反対側の端部には、絶縁封止用接着剤42が形成されている。絶縁封止用接着剤41および絶縁封止用接着剤42は、セパレータ20間の短絡を防ぐと共に、冷却媒体の漏洩を防止する。
Further, between the tip of the
このような構成の燃料電池100において、モジュール140は、絶縁体層40(の半分)と、一のセパレータ20の第1の部分21と、発電体層30と、他のセパレータ20の第3の部分23と、発電体層30と、上記一のセパレータ20の第2の部分22と、絶縁体層40(の半分)と、から構成される。燃料電池100は、この繰り返し単位としてのモジュール140が、複数積層された構成となっている。
In the
燃料電池100では、上述した燃料ガス供給マニホールドから供給された水素は、燃料ガス用流路27を流動しつつ、発電体層30のアノード側拡散層37、さらにはアノード側触媒層34へと供給される。また、上述した酸化剤ガス供給マニホールドから供給された空気は、酸化剤ガス用流路28を流動しつつ、発電体層30のカソード側拡散層36、さらにはカソード側触媒層33へと供給される。また、上述した冷却媒体供給マニホールドから供給された冷却媒体は、絶縁体層40内部の空隙を介して冷却媒体用流路26内に導かれ、冷却媒体用流路26を流動しつつ、発電体層30(のアノード側)を冷却する。
In the
以上説明した燃料電池100では、セパレータ20同士の接触により通電性を確保している箇所が存在しないため、原理的に、モジュール140間におけるセパレータ20同士の接触抵抗が存在しない。従って、本実施例の燃料電池100では、セパレータ同士の接触抵抗による出力低下を抑制することができる。
In the
図4は、本実施例の燃料電池100の性能評価試験結果の一例を示す説明図である。性能評価試験には、実施例の燃料電池100と共に、比較例の燃料電池100aを用いた。図5は、比較例の燃料電池100aの概略構成を示す説明図である。比較例の燃料電池100aは、従来の一般的な燃料電池であり、実施例と同様の構成の発電体層30aと、発電体層30aを挟んで配設された一対のセパレータ20aと、からなるモジュール140a(単位セル)が複数積層された構成となっている。比較例の燃料電池100aでは、モジュール140a間の通電性がセパレータ20a同士の接触部Pにおいて確保されているため、モジュール140a間におけるセパレータ20a同士の接触抵抗が存在する。
FIG. 4 is an explanatory diagram showing an example of the performance evaluation test result of the
図4には、実施例の燃料電池100と比較例の燃料電池100aとのI−V性能の評価試験結果を示している。図4に示すように、本実施例の燃料電池100は、比較例の燃料電池100aと比較して良好なI−V性能を示す。特に、大電流運転時において、本実施例の燃料電池100は良好なI−V性能を示す。I−V性能の向上の要因としては、実施例の燃料電池100ではモジュール140間におけるセパレータ20同士の接触抵抗が存在しないために、接触抵抗による出力低下が抑制されたことが考えられる。
FIG. 4 shows the evaluation test results of the IV performance of the
また、I−V性能の向上の要因として、以下に説明する他の要因も考えられる。電解質膜31は、その内部における水素イオンの移動に水分子が必要であり、水分を含んだ状態でのみ高い水素イオン導電性を示す。そのため、燃料電池100内の水分が不足して電解質膜31が乾燥すると、水素イオンの導電性が低下し、燃料電池100の発電性能が低下する。他方、電解質膜31近傍に過剰な水分が存在すると、反応ガスの供給が水によって妨げられ、やはり燃料電池100の発電性能が低下する。特に、カソード側では、水素と酸素との反応によって水が生成されるため、カソード近傍には余剰の水分が発生しやすい。従って、燃料電池100において高い発電性能を維持するためには、燃料電池100内の余剰水の排水と電解質膜31の保湿とを両立させることが重要である。具体的には、電解質膜31中の水分のカソード側からアノード側への輸送を促進してカソード側とアノード側との水バランスを是正することが有効であると考えられる。
In addition, other factors described below can be considered as factors for improving the IV performance. The
本実施例の燃料電池100では、図2に示すように、セパレータ20等を挟んで隣接する発電体層30間でアノード側同士およびカソード側同士が向かい合っており、2つの発電体層30のアノード側に挟まれた部分に冷却媒体用流路26が形成されている。そのため、本実施例の燃料電池100では、アノード側の温度がカソード側の温度よりも低くなるように電解質膜31内に水の濃度勾配を生じさせることができ、カソード側からアノード側への水の拡散を容易にして燃料電池100内の水バランスを均一化させることができる。従って、本実施例の燃料電池100では、燃料電池100内の余剰水の排水と電解質膜31の保湿とを両立させることができ、I−V性能を向上させることができる。
In the
また、本実施例の燃料電池100では、図2に示すように、2つの発電体層30のカソード側に挟まれた部分には、冷却媒体用流路26を形成する必要はない。そのため、本実施例の燃料電池100では、装置の小型化を実現することができる。
Further, in the
また、本実施例の燃料電池100では、セパレータ20の第1の部分21と第2の部分22と第3の部分23とが積層方向に沿った凹凸断面を有しており、これにより、溝状の冷却媒体用流路26、燃料ガス用流路27、酸化剤ガス用流路28が形成されているため、簡単な構成で各部分の両側に流路を確保することができる。
Further, in the
また、本実施例の燃料電池100では、絶縁体層40が多孔質の絶縁性材料を用いて形成されており、冷却媒体用流路26には絶縁体層40の内部空隙を経由して冷却媒体が供給されるため、冷却媒体供給マニホールドおよび冷却媒体排出マニホールドの形成位置の自由度を向上させることができ、モジュール140の平面最適設計の容易化を実現することができる。
Further, in the
B.変形例:
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
B. Variations:
The present invention is not limited to the above-described examples and embodiments, and can be implemented in various modes without departing from the gist thereof. For example, the following modifications are possible.
上記実施例における燃料電池システム10の構成は、あくまで一例であり、種々変形可能である。例えば、上記実施例では、燃料ガスとしての水素が水素タンク50から供給されるとしているが、水素が他の供給手段(例えば化石エネルギーの改質器)から供給されるとしてもよい。
The configuration of the
また、上記実施例において、アノード側およびカソード側の配置を逆にしてもよい。すなわち、セパレータ20の第1の部分21の第2の方向側および第2の部分22の第1の方向側に酸化剤ガス用流路が形成され、第3の部分23の第1の方向側および第2の方向側に燃料ガス用流路が形成され、発電体層30の向きが上記実施例と逆であってもよい。このようにしても、上記実施例と同様に、モジュール140間におけるセパレータ20同士の接触抵抗が存在しないため、セパレータ同士の接触抵抗による出力低下を抑制することができる。ただし、アノード側およびカソード側の配置が上記実施例のような配置であれば、上述したように、アノード側の温度がカソード側の温度よりも低くなるように電解質膜31内に水の濃度勾配を生じさせることができ、カソード側からアノード側への水の拡散を容易にして燃料電池100内の水バランスを均一化させることによって発電性能を向上させることができるため、より好ましい。
In the above embodiment, the arrangement of the anode side and the cathode side may be reversed. That is, an oxidizing gas flow path is formed on the second direction side of the
また、上記実施例では、絶縁体層40が多孔質の絶縁性材料を用いて形成されており、冷却媒体用流路26には絶縁体層40の内部空隙を経由して冷却媒体が供給されるとしているが、絶縁体層40を経由することなく冷却媒体用流路26に冷却媒体が供給されるものとしてもよい。この場合には、絶縁体層40は、多孔質ではない(すなわち緻密質の)絶縁性材料を用いて形成されるか、空隙を封止した多孔質の絶縁性材料を用いて形成される。
Further, in the above embodiment, the insulating
また、セパレータ20の第3の部分23は、両側とも発電体層30の同極側(実施例ではカソード側)に面しているため、反応ガスをセパレートする機能を奏する必要はない。そのため、セパレータ20の第3の部分23は、導電性を有し、第1の方向側および第2の方向側に反応ガス用の流路を形成できる材料であれば、どのような材料で形成されてもよい。例えば、セパレータ20の第3の部分23は、エキスパンドメタルにより形成されるとしてもよい。
Further, since the
また、上記実施例において、酸化剤ガスとして空気以外のガスが用いられてもよく、燃料ガスとして水素以外のガスが用いられてもよい。また、上記実施例では、燃料電池100は固体高分子型燃料電池であるとしているが、本発明は他の種類の燃料電池(例えば、ダイレクトメタノール形燃料電池やリン酸形燃料電池)にも適用可能である。
In the above embodiment, a gas other than air may be used as the oxidant gas, and a gas other than hydrogen may be used as the fuel gas. In the above embodiment, the
10…燃料電池システム
20…セパレータ
21…第1の部分
22…第2の部分
23…第3の部分
24…第1の連結部
25…第2の連結部
26…冷却媒体用流路
27…燃料ガス用流路
28…酸化剤ガス用流路
30…発電体層
31…電解質膜
33…カソード側触媒層
34…アノード側触媒層
35…膜電極接合体
36…カソード側拡散層
37…アノード側拡散層
40…絶縁体層
41…絶縁封止用接着剤
42…絶縁封止用接着剤
50…水素タンク
51…シャットバルブ
52…レギュレータ
53…配管
54…排出配管
60…エアポンプ
61…配管
63…排出配管
70…ラジエータ
71…ウォーターポンプ
72…配管
73…配管
100…燃料電池
110…エンドプレート
120…絶縁板
130…集電板
140…モジュール
DESCRIPTION OF
Claims (5)
導電材料により形成された複数のセパレータであって、それぞれ、積層方向に沿った第1の方向側に冷却媒体用の流路が形成されると共に前記第1の方向とは反対の第2の方向側に前記第1の反応ガス用の流路が形成された第1の部分と、前記第1の部分の前記第2の方向側に位置して前記第1の部分に連結され、前記第1の方向側に前記第1の反応ガス用の流路が形成されると共に前記第2の方向側に冷却媒体用の流路が形成された第2の部分と、前記第2の部分の前記第2の方向側に位置して前記第2の部分に連結され、前記第1の方向側および前記第2の方向側に前記第2の反応ガス用の流路が形成された第3の部分と、を含み、一の前記セパレータの前記第1の部分と前記第2の部分との間に他の前記セパレータの前記第3の部分が位置するように積層された、複数のセパレータと、
電解質膜と前記電解質膜を挟む一対の触媒層とを含む発電体層であって、一の前記セパレータの前記第1の部分と他の前記セパレータの前記第3の部分との間と、一の前記セパレータの前記第2の部分と他の前記セパレータの前記第3の部分との間と、に配設された発電体層と、
一の前記セパレータの前記第1の部分と他の前記セパレータの前記第2の部分との間に配設された絶縁体層と、を備える、燃料電池。 A fuel cell that generates power using a first reaction gas and a second reaction gas,
A plurality of separators formed of a conductive material, each having a cooling medium flow path formed on the first direction side along the stacking direction and a second direction opposite to the first direction A first portion in which a flow path for the first reactive gas is formed on the side, and is connected to the first portion located on the second direction side of the first portion, and A second portion in which a flow path for the first reactive gas is formed on the direction side and a flow path for a cooling medium is formed on the second direction side, and the second portion of the second portion. A third portion located on the second direction side and connected to the second portion, wherein the second direction gas flow path is formed on the first direction side and the second direction side; The third portion of the other separator is between the first portion and the second portion of one separator. Are stacked so that location, and a plurality of separators,
A power generation layer including an electrolyte membrane and a pair of catalyst layers sandwiching the electrolyte membrane, between the first portion of one separator and the third portion of the other separator, A power generator layer disposed between the second portion of the separator and the third portion of the other separator;
A fuel cell comprising: an insulator layer disposed between the first portion of one of the separators and the second portion of the other separator.
前記セパレータの前記第1の部分と前記第2の部分と前記第3の部分との少なくとも1つは、前記流路を形成するための凹凸断面を有する、燃料電池。 The fuel cell according to claim 1,
At least one of the first part, the second part, and the third part of the separator has a concavo-convex cross section for forming the flow path.
前記絶縁体層は、多孔質の絶縁性材料を用いて形成され、
前記冷却媒体用流路には、前記絶縁体層の内部空隙を経由して冷却媒体が供給される、燃料電池。 The fuel cell according to claim 1 or 2, wherein
The insulator layer is formed using a porous insulating material,
A fuel cell, wherein a cooling medium is supplied to the cooling medium flow path via an internal space of the insulator layer.
前記第1の反応ガスは燃料ガスであり、前記第2の反応ガスは酸化剤ガスである、燃料電池。 A fuel cell according to any one of claims 1 to 3,
The fuel cell, wherein the first reaction gas is a fuel gas and the second reaction gas is an oxidant gas.
前記セパレータは、互いに略平行な略板状形状の前記第1の部分と前記第2の部分と前記第3の部分と、前記第1の部分の端部と前記第2の部分の一方の端部とを連結する第1の連結部と、前記第2の部分の他方の端部と前記第3の部分の端部とを連結する第2の連結部と、を含む、燃料電池。 The fuel cell according to any one of claims 1 to 4, wherein
The separator includes the first portion, the second portion, the third portion, one end portion of the first portion, and one end portion of the second portion, each having a substantially plate shape that is substantially parallel to each other. A fuel cell comprising: a first connecting portion that connects the first portion, and a second connecting portion that connects the other end portion of the second portion and the end portion of the third portion.
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