JP2014229446A - 燃料電池スタックおよび燃料電池システム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 実施形態によれば、固体高分子電解質膜と、前記固体高分子電解質膜の一方の面に配置され、ガス拡散部を有する燃料極と、前記固体高分子電解質膜の前記燃料極とは反対側の面に配置され、ガス拡散部を有する酸化剤極と、前記燃料極に水素含有ガスを供給する流路がリブにより複数並列に流路束として形成された燃料極セパレータと、前記酸化剤極に酸素含有ガスを供給する流路がリブにより複数並列に流路束として形成された酸化剤極セパレータとを具備する燃料電池スタックにおいて、前記酸化剤極セパレータもしくは前記燃料極セパレータの少なくともいずれか一方において、流路の幅が前記流路束における流路と流路との間のリブの幅よりも広く、リブの幅が0.9mm以下であり、リブがガス拡散部に接触する面積が電極面上の流路の面積よりも小さい。
【選択図】図2
Description
第1の実施形態について説明する。
第2の実施形態について説明する。以下では、第1の実施形態と共通する部分の説明を省略し、第1の実施形態と異なる部分を中心に説明する。
ここで、比較例1について説明する。以下では、第1の実施形態と共通する部分の説明を省略し、第1の実施形態と異なる部分を中心に説明する。
第3の実施形態について説明する。以下では、第1の実施形態と共通する部分の説明を省略し、第1の実施形態と異なる部分を中心に説明する。
第4の実施形態について説明する。以下では、第3の実施形態と共通する部分の説明を省略し、第3の実施形態と異なる部分を中心に説明する。
第5の実施形態について説明する。以下では、第1の実施形態と共通する部分の説明を省略し、第1の実施形態と異なる部分を中心に説明する。
第6の実施形態について説明する。以下では、第5の実施形態と共通する部分の説明を省略し、第5の実施形態と異なる部分を中心に説明する。
第7の実施形態について説明する。以下では第6の実施形態と共通する部分の説明を省略し、第6の実施形態と異なる部分を中心に説明する。
第8の実施形態について説明する。以下では、第7の実施形態と共通する部分の説明を省略し、第7の実施形態と異なる部分を中心に説明する。
第9の実施形態について説明する。以下では、第7の実施形態と共通する部分の説明を省略し、第7の実施形態と異なる部分を中心に説明する。
第10の実施形態について説明する。以下では、第7の実施形態と共通する部分の説明を省略し、第7の実施形態と異なる部分を中心に説明する。
酸化剤極セパレータ15は、図8に示すようなIDFF流路を形成している。酸化剤極側においては、流路のリブ幅20は0.5mm、流路幅21は1.5mm、接触面積は0.26である。また、流路深さ22は1mmであり、セパレータ流路の一本当たりの等価直径は1.4mmである。
PFF流路方向に垂直な断面において、カーボンペーパーGDLとカーボン層MPLとで構成されるガス拡散部における酸素拡散(式1)および水素拡散(式2)の2次元定常モデルの解析を行った。リブの接触抵抗を変化させないため、接触面積が減少すると、GDLへの圧縮応力を増加させた。圧縮応力が増加するとGDLの気孔率εが減少して酸素拡散が阻害されるプログラムになっている。ここでは、第7の実施形態におけるデータ(図9中の「実施例7」)と整合するように、アノードとカソードにそれぞれ水占積率SaとScを与えている。このモデル解析は、多孔質のカーボンセパレータを両極に利用した場合で、燃料極には純水素を供給し、カソードには空気を供給した場合のモデルの解析である。
酸化剤極側の接触面積比率(酸化剤極セパレータ接触面積比率)を0.1、0.2、0.3、0.42、0.5、0.55と変化させて、解析を行ったところ、図10に示すようなセル電圧および、セル電圧の算出に利用した酸素濃度分布CO2MPL/CLを得た。酸化剤極セパレータ接触面積比率が0.5未満におけるセル電圧の低下は小さいが、0.5を境にセル電圧が大きく低下する。
PFF流路方向に垂直な断面において、カーボンペーパーGDLとカーボン層MPLで構成されるガス拡散部における水素拡散と酸素拡散の2次元定常モデルの解析を実験例1と同様に行った。ここでは、第2の実施形態におけるデータ(図4中の「実施例2」)と整合するように、アノードとカソードにそれぞれ水占積率SaとScを与えている。このモデル解析は、緻密質のカーボンセパレータを両極に利用した場合で、燃料極には水素混合ガス(CSR)を供給し、カソードには空気を供給した場合のモデルの解析である。このモデル解析では両極とも加湿を100%としている。
Claims (5)
- 固体高分子電解質膜と、前記固体高分子電解質膜の一方の面に配置され、ガス拡散部を有する燃料極と、前記固体高分子電解質膜の前記燃料極とは反対側の面に配置され、ガス拡散部を有する酸化剤極と、前記燃料極に水素含有ガスを供給する流路がリブにより複数並列に流路束として形成された燃料極セパレータと、前記酸化剤極に酸素含有ガスを供給する流路がリブにより複数並列に流路束として形成された酸化剤極セパレータとを具備する燃料電池スタックであって、
前記酸化剤極セパレータもしくは前記燃料極セパレータの少なくともいずれか一方において、流路の幅が前記流路束における流路と流路との間のリブの幅よりも広く、リブの幅が0.9mm以下であり、リブがガス拡散部に接触する面積が電極面上の流路の面積よりも小さいことを特徴とする燃料電池スタック。 - 前記酸化剤極セパレータもしくは前記燃料極セパレータの少なくともいずれか一方の外周電極部の幅がリブの幅と同等かそれよりも狭いことを特徴とする請求項1に記載の燃料電池スタック。
- 前記酸化剤極セパレータもしくは前記燃料極セパレータの少なくともいずれか一方は多孔質セパレータであることを特徴とする請求項1又は2に記載の燃料電池スタック。
- 前記酸化剤極セパレータもしくは前記燃料極セパレータの少なくともいずれか一方は、
反応ガスが流れる空隙が形成され、反応ガスの流入側とは反対側の端部がそれぞれ閉塞されている複数の第1の流路と、
前記複数の第1の流路と並行に、かつ、所定の間隔を隔てて交互に配置され、反応ガスが流れる空隙が形成され、反応ガスの流出側とは反対側の端部がそれぞれ閉塞されている複数の第2の流路と
を形成していることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の燃料電池スタック。 - 請求項1乃至4のいずれか1項に記載の燃料電池スタックと、
前記燃料極に燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置と、
前記酸化剤極に酸化剤ガスを供給する酸化剤供給装置と、
前記水流路に水を循環させる水循環装置と
を具備することを特徴とする燃料電池システム。
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