JP2017016827A - 燃料電池 - Google Patents

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Abstract

【課題】セル本体における発電反応の均一化を図ることができる燃料電池を提供する。【解決手段】燃料電池1のインターコネクタ3は、セル本体の燃料極に供給される燃料が流れる燃料流路15を形成する燃料流路形成部13と、セル本体の空気極に供給される空気が流れる空気流路16を形成する空気流路形成部14とを有し、燃料が燃料流路15を流れる方向と空気が空気流路16を流れる方向とは交差しており、燃料流路形成部13は、空気流路16の上流側の領域に対応する領域における燃料の圧力損失が空気流路16の下流側の領域に対応する領域における燃料の圧力損失よりも大きくなるように配置された突起19A〜19Cを有し、空気流路形成部14は、燃料流路15の上流側の領域に対応する領域における空気の圧力損失が燃料流路15の下流側の領域に対応する領域における空気の圧力損失よりも大きくなるように配置された突起20A〜20Cを有する。【選択図】図3

Description

本発明は、燃料電池に関する。
従来の燃料電池としては、例えば特許文献1に記載されている技術が知られている。特許文献1に記載の燃料電池は、固体高分子電解質膜の両側に空気極及び燃料極を接合して一体化した膜電極接合体を備えている。空気極の外側には、酸化剤ガス流路を形成する空気極セパレータが配置され、燃料極の外側には、燃料ガス流路を形成する燃料極セパレータが配置されている。空気極セパレータは、セパレータ基材の一方の面に形成された複数の突起を有している。突起の直径は、酸化剤ガスの上流側から下流側に向かって徐々に小さくなっている。燃料極セパレータは、セパレータ基材の他方の面に形成された複数の突起を有している。突起の直径は、燃料ガスの上流側から下流側に向かって徐々に小さくなっている。以上により、酸化剤ガス及び燃料ガスの下流側において、ガス流通路面積が増加し、ガス流速が下がるため、ガス圧が上昇する。
特開2010−129299号公報
しかしながら、上記従来技術においては、以下の問題点が存在する。即ち、燃料極セパレータでは、燃料ガスの流れのみを考慮して突起を形成し、空気極セパレータでは、酸化剤ガスの流れのみを考慮して突起を形成している。このため、燃料極セパレータ及び空気極セパレータにおいて、発電反応に利用される燃料ガス量及び酸化剤ガス量を均一化することが困難である。その結果、膜電極接合体(セル本体)における発電反応を均一化することができない。
本発明の目的は、セル本体における発電反応の均一化を図ることができる燃料電池を提供することである。
本発明の一態様の燃料電池は、電解質の一面側に配置された燃料極と電解質の他面側に配置された空気極とを有し、燃料と空気とを発電反応させるセル本体と、セル本体を燃料極側及び空気極側から挟むように配置されたインターコネクタとを備え、インターコネクタは、燃料極に供給される燃料が流れる燃料流路を形成する燃料流路形成部と、空気極に供給される空気が流れる空気流路を形成する空気流路形成部とを有し、燃料が燃料流路を流れる方向と空気が空気流路を流れる方向とは交差しており、燃料流路形成部は、空気流路の上流側の領域に対応する領域における燃料の圧力損失が空気流路の下流側の領域に対応する領域における燃料の圧力損失よりも大きくなるように配置された複数の第1突起を有し、空気流路形成部は、燃料流路の上流側の領域に対応する領域における空気の圧力損失が燃料流路の下流側の領域に対応する領域における空気の圧力損失よりも大きくなるように配置された複数の第2突起を有することを特徴とする。
このような燃料電池においては、燃料流路形成部を構成する複数の第1突起は、空気流路の上流側の領域に対応する領域における燃料の圧力損失が空気流路の下流側の領域に対応する領域における燃料の圧力損失よりも大きくなるように配置されている。このため、燃料流路における空気流路の上流側の領域に対応する領域では、燃料流路における空気流路の下流側の領域に対応する領域に比べて燃料の供給量が少なくなる。しかし、空気流路の上流側の領域では、空気流路の下流側の領域に比べて空気の供給量が多い。従って、空気流路の上流側の領域と空気流路の下流側の領域とで、セル本体での発電反応に利用される燃料量及び空気量が均一化される。一方、空気流路形成部を構成する複数の第2突起は、燃料流路の上流側の領域に対応する領域における空気の圧力損失が燃料流路の下流側の領域に対応する領域における空気の圧力損失よりも大きくなるように配置されている。このため、空気流路における燃料流路の上流側の領域に対応する領域では、空気流路における燃料流路の下流側の領域に対応する領域に比べて空気の供給量が少なくなる。しかし、燃料流路の上流側の領域では、燃料流路の下流側の領域に比べて燃料の供給量が多い。従って、燃料流路の上流側の領域と燃料流路の下流側の領域とで、セル本体での発電反応に利用される燃料量及び空気量が均一化される。以上により、セル本体における発電反応の均一化を図ることができる。
空気流路の上流側の領域に対応する領域に配置された第1突起の断面積は、空気流路の下流側の領域に対応する領域に配置された第1突起の断面積よりも大きく、燃料流路の上流側の領域に対応する領域に配置された第2突起の断面積は、燃料流路の下流側の領域に対応する領域に配置された第2突起の断面積よりも大きくてもよい。
このような構成では、各第1突起の形状が同じであっても、空気流路の上流側の領域に対応する領域における燃料の圧力損失を、空気流路の下流側の領域に対応する領域における燃料の圧力損失よりも大きくすることができる。また、各第2突起の形状が同じであっても、燃料流路の上流側の領域に対応する領域における空気の圧力損失を、燃料流路の下流側の領域に対応する領域における空気の圧力損失よりも大きくすることができる。
空気流路の上流側の領域に対応する領域に配置された第1突起は、空気流路の下流側の領域に対応する領域に配置された第1突起よりも燃料の乱流が生じやすい形状を有し、燃料流路の上流側の領域に対応する領域に配置された第2突起は、燃料流路の下流側の領域に対応する領域に配置された第2突起よりも空気の乱流が生じやすい形状を有してもよい。
このような構成では、空気流路の上流側の領域に対応する領域における燃料の圧力損失を、効果的に空気流路の下流側の領域に対応する領域における燃料の圧力損失よりも大きくすることができる。また、燃料流路の上流側の領域に対応する領域における空気の圧力損失を、効果的に燃料流路の下流側の領域に対応する領域における空気の圧力損失よりも大きくすることができる。
本発明によれば、セル本体における発電反応の均一化を図ることができる燃料電池が提供される。
本発明の一実施形態に係る燃料電池の外観を示す斜視図である。 図1のA2−A2線断面図及びB2−B2線断面図である。 図1及び図2に示されたインターコネクタの底面図及び平面図である。 図3に示されたインターコネクタの変形例の底面図及び平面図である。 図4に示されたインターコネクタに設けられる突起の形状の例を示す平面図である。 本発明の他の実施形態に係る燃料電池の外観を示す斜視図である。 図6に示されたインターコネクタの底面図及び平面図である。
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、図面において、同一または同等の要素には同じ符号を付し、重複する説明を省略する。
図1は、本発明の一実施形態に係る燃料電池の外観を示す斜視図である。図2(a)は、図1のA2−A2線断面図であり、図2(b)は、図1のB2−B2線断面図である。図1及び図2において、本実施形態の燃料電池1は、固体酸化物型燃料電池(SOFC)であり、燃料中の水素と空気中の酸素とを化学反応させて発電を行う。
燃料電池1は、セルアセンブリ2と、このセルアセンブリ2を上下方向に挟むように配置されたインターコネクタ3とを備えている。図1及び図2では省略されているが、燃料電池1は、セルアセンブリ2とインターコネクタ3とが複数ずつ交互に積層されたスタック構造を有している。そして、燃料電池1の最上部及び最下部には、エンドプレート(図示せず)が配置されている。
セルアセンブリ2は、積層方向に隣り合う2つのインターコネクタ3間に配置されたセル本体4及びシール部材5を備えている。シール部材5は、セル本体4の周囲に配置されている。
セル本体4は、電解質6と、この電解質6の上面側(一面側)に配置された燃料極(アノード)7と、電解質6の下面側(他面側)に配置された空気極(カソード)8とを有している。セル本体4は、燃料と空気とを発電反応させる。
シール部材5は、燃料と空気とが混合しないように隣り合う2つのインターコネクタ3間をシールすると共に、隣り合う2つのインターコネクタ3同士を電気的に絶縁する部材である。シール部材5は、ガラス等から構成されている。シール部材5は、燃料が通る燃料通路5aと、空気が通る空気通路5bとを有している。
インターコネクタ3は、セル本体4を燃料極7側及び空気極8側から挟むように配置されている。インターコネクタ3は、平面視正方形状を呈している。インターコネクタ3は、耐熱ステンレス鋼等の金属材料から構成されている。
インターコネクタ3は、燃料を導入する燃料導入流路9と、燃料を導出する燃料導出流路10と、空気を導入する空気導入流路11と、空気を導出する空気導出流路12とを有している。燃料導入流路9、燃料導出流路10、空気導入流路11及び空気導出流路12は、インターコネクタ3の4つの縁部に沿った断面長円形状を呈している。燃料導入流路9及び燃料導出流路10は、シール部材5の燃料通路5aと連通している。空気導入流路11及び空気導出流路12は、シール部材5の空気通路5bと連通している。
また、インターコネクタ3は、燃料極7と対向する燃料流路形成部13と、空気極8と対向する空気流路形成部14とを有している。燃料流路形成部13は、燃料極7に供給される燃料が流れる燃料流路15を形成する。空気流路形成部14は、空気極8に供給される空気が流れる空気流路16を形成する。燃料流路15は、燃料導入流路9及び燃料導出流路10と連通している。空気流路16は、空気導入流路11及び空気導出流路12と連通している。
インターコネクタ3の燃料導入流路9に導入された燃料が燃料流路15を通ってセル本体4の燃料極7に供給されると共に、インターコネクタ3の空気導入流路11に導入された空気が空気流路16を通ってセル本体4の空気極8に供給されることで、セル本体4において発電反応が起こる。
図3(a)は、インターコネクタ3の底面図であり、図3(b)は、インターコネクタ3の平面図である。図3において、燃料導入流路9と燃料導出流路10とは、燃料流路形成部13及び空気流路形成部14を挟んで対向配置されている。空気導入流路11と空気導出流路12とは、燃料流路形成部13及び空気流路形成部14を挟んで燃料導入流路9と燃料導出流路10との対向方向に対して垂直な方向に対向配置されている。燃料導入流路9から燃料導出流路10に燃料が燃料流路15を流れる方向と空気導入流路11から空気導出流路12に空気が空気流路16を流れる方向とは、垂直に交差している。
インターコネクタ3は、インターコネクタ3の下面に開口し、燃料流路15を画成する断面略矩形状の下凹部17と、インターコネクタ3の上面に開口し、空気流路16を画成する断面略矩形状の上凹部18とを有している。
図3(a)では、燃料流路形成部13は、簡略化して示されている。燃料流路形成部13は、円柱状の突起(第1突起)19A〜19Cが下凹部17の底面に突設された構造を有し、各突起19A〜19C間の空間が燃料流路15の一部となる。突起19A〜19Cは、空気流路16の上流側(空気導入流路11側)の領域に対応する領域から空気流路16の下流側(空気導出流路12側)の領域に対応する領域に向けて同数(ここでは3つ)ずつ配列されている。突起19A〜19Cの高さ寸法は等しい。突起19A〜19Cの先端面は、セル本体4の燃料極7に接触している。
空気流路16の上流側の領域に対応する領域は、セル本体4を挟んで空気流路16の上流側の領域と向き合う領域である。空気流路16の下流側の領域に対応する領域は、セル本体4を挟んで空気流路16の下流側の領域と向き合う領域である。例えば、空気流路16の上流側の領域は、空気流路16における空気が流れる方向の中心位置よりも上流側の領域であり、空気流路16の下流側の領域は、空気流路16における空気が流れる方向の中心位置よりも下流側の領域である。
突起19A〜19Cの径は、突起19A〜19Cの順に小さくなっている。つまり、突起19A〜19Cの断面積は、突起19A〜19Cの順に小さくなっている。ここでいう断面積は、インターコネクタ3の積層方向に対して垂直に切った断面の面積である。つまり、当該断面積は、セル本体4の上面及び下面に対して平行に切った断面の面積である。これにより、空気流路16の上流側の領域に対応する領域における燃料の圧力損失は、空気流路16の下流側の領域に対応する領域における燃料の圧力損失よりも大きくなる。
図3(b)では、空気流路形成部14は、簡略化して示されている。空気流路形成部14は、円柱状の突起(第2突起)20A〜20Cが上凹部18の底面に突設された構造を有し、各突起20A〜20C間の空間が空気流路16の一部となる。突起20A〜20Cは、燃料流路15の上流側(燃料導入流路9側)の領域に対応する領域から燃料流路15の下流側(燃料導出流路10側)の領域に対応する領域に向けて同数(ここでは3つ)ずつ配列されている。突起20A〜20Cの高さ寸法は等しい。突起20A〜20Cの先端面は、セル本体4の空気極8に接触している。
燃料流路15の上流側の領域に対応する領域は、セル本体4を挟んで燃料流路15の上流側の領域と向き合う領域である。燃料流路15の下流側の領域に対応する領域は、セル本体4を挟んで燃料流路15の下流側の領域と向き合う領域である。例えば、燃料流路15の上流側の領域は、燃料流路15における燃料が流れる方向の中心位置よりも上流側の領域であり、燃料流路15の下流側の領域は、燃料流路15における燃料が流れる方向の中心位置よりも下流側の領域である。
突起20A〜20Cの径は、突起20A〜20Cの順に小さくなっている。つまり、突起20A〜20Cの断面積は、突起20A〜20Cの順に小さくなっている。ここでいう断面積は、インターコネクタ3の積層方向に対して垂直に切った断面の面積である。つまり、当該断面積は、セル本体4の上面及び下面に対して平行に切った断面の面積である。これにより、燃料流路15の上流側に対応する領域における空気の圧力損失は、燃料流路15の下流側に対応する領域における空気の圧力損失よりも大きくなる。
ところで、インターコネクタ3において、燃料流路形成部13を構成する複数の第1突起及び空気流路形成部14を構成する複数の第2突起が全体的に同径で均一に配置されている場合には、燃料導入流路9と空気導入流路11とが隣り合う側の領域Xでは、燃料及び空気の供給量が過剰気味となり、燃料導出流路10と空気導出流路12とが隣り合う側の領域Yでは、燃料及び空気の供給量が不足気味となる。
しかし、本実施形態では、空気流路16の上流側の領域に対応する領域における燃料の圧力損失は、空気流路16の下流側の領域に対応する領域における燃料の圧力損失よりも大きく、燃料流路15の上流側の領域に対応する領域における空気の圧力損失は、燃料流路15の下流側の領域に対応する領域における空気の圧力損失よりも大きい。従って、燃料導入流路9と空気導入流路11とが隣り合う側の領域Xでは、燃料及び空気の供給量が少なくなり、燃料導出流路10と空気導出流路12とが隣り合う側の領域Yでは、燃料及び空気の供給量が増加する。
以上のように本実施形態にあっては、燃料流路形成部13を構成する突起19A〜19Cは、空気流路16の上流側の領域に対応する領域における燃料の圧力損失が空気流路16の下流側の領域に対応する領域における燃料の圧力損失よりも大きくなるように配置されている。つまり、燃料流路形成部13を構成する突起19A〜19Cの配置パターンは、空気の流れを考慮して決定されている。このため、燃料流路15における空気流路16の上流側の領域に対応する領域では、燃料流路15における空気流路16の下流側の領域に対応する領域に比べて燃料の供給量が少なくなる。しかし、空気流路16の上流側では、空気流路16の下流側に比べて空気の供給量が多い。従って、空気流路16の上流側の領域と空気流路16の下流側の領域とで、セル本体4での発電反応に利用される燃料量及び空気量が均一化される。一方、空気流路形成部14を構成する突起20A〜20Cは、燃料流路15の上流側の領域に対応する領域における空気の圧力損失が燃料流路15の下流側の領域に対応する領域における空気の圧力損失よりも大きくなるように配置されている。つまり、空気流路形成部14を構成する突起20A〜20Cの配置パターンは、燃料の流れを考慮して決定されている。このため、空気流路16における燃料流路15の上流側の領域に対応する領域では、空気流路16における燃料流路15の下流側の領域に対応する領域に比べて空気の供給量が少なくなる。しかし、燃料流路15の上流側では、燃料流路15の下流側に比べて燃料の供給量が多い。従って、燃料流路15の上流側の領域と燃料流路15の下流側の領域とで、セル本体4での発電反応に利用される燃料量及び空気量が均一化される。以上により、セル本体4における発電反応の均一化を図ることができる。その結果、セル本体4における発電効率を向上させることが可能となる。
また、空気流路16の上流側の領域に対応する領域に配置された突起19Aの断面積は、空気流路16の下流側の領域に対応する領域に配置された突起19Cの断面積よりも大きく、燃料流路15の上流側の領域に対応する領域に配置された突起20Aの断面積は、燃料流路15の下流側の領域に対応する領域に配置された突起20Cの断面積よりも大きい。従って、突起19A〜19Cの形状が同じであっても、空気流路16の上流側の領域に対応する領域における燃料の圧力損失を、空気流路16の下流側の領域に対応する領域における燃料の圧力損失よりも大きくすることができる。また、突起20A〜20Cの形状が同じであっても、燃料流路15の上流側の領域に対応する領域における空気の圧力損失を、燃料流路15の下流側の領域に対応する領域における空気の圧力損失よりも大きくすることができる。
図4(a)は、図3(a)に示されたインターコネクタ3の変形例の底面図であり、図4(b)は、図3(b)に示されたインターコネクタ3の変形例の平面図である。
図4において、燃料流路形成部13は、突起(第1突起)31〜33が下凹部17の底面に突設された構造を有し、各突起31〜33間の空間が燃料流路15の一部となる。突起31〜33は、空気流路16の上流側の領域に対応する領域から空気流路16の下流側の領域に対応する領域に向けて同数(ここでは3つ)ずつ配置されている。突起31〜33の断面積は、ほぼ等しい。ここでいう断面積は、インターコネクタ3の積層方向に対して垂直に切った断面の面積である。
突起31は、空気流路16の上流側の領域に対応する領域に配置されている。突起31は、三角柱形状(平面視三角形状)を呈している。突起31は、燃料流路15の上流側に向かって先細りとなるように形成されている。燃料が突起31に沿って流れるときは、図5(a)に示されるように、突起31の後方で乱流が生じるため、燃料の圧力損失が大きくなる。
突起33は、空気流路16の下流側の領域に対応する領域に配置されている。突起33は、平面視菱形状を呈している。突起33は、燃料流路15の上流側及び下流側に向かって先細りとなるように形成されている。燃料が突起33に沿って流れるときは、図5(d)に示されるように、突起33の後側部分での整流効果により燃料の圧力損失が小さくなる。
従って、空気流路16の上流側の領域に対応する領域に配置された突起31は、空気流路16の下流側の領域に対応する領域に配置された突起33よりも燃料の乱流が生じやすい形状を有することとなる。
突起32は、突起31,33間の領域に配置されている。突起32は、円柱形状(平面視円形状)を呈している。突起32の形状は、突起33の形状よりも乱流が生じやすく、突起31の形状よりも乱流が生じにくい。このため、燃料が突起32に沿って流れるときの圧力損失は、燃料が突起33に沿って流れるときの圧力損失よりも大きく、燃料が突起31に沿って流れるときの圧力損失よりも小さい。
空気流路形成部14は、突起(第2突起)34〜36が上凹部18の底面に突設された構造を有し、各突起34〜36間の空間が空気流路16の一部となる。突起34〜36は、燃料流路15の上流側の領域に対応する領域から燃料流路15の下流側の領域に対応する領域に向けて同数(ここでは3つ)ずつ配置されている。突起34〜36の断面積は、ほぼ等しい。ここでいう断面積は、インターコネクタ3の積層方向に対して垂直に切った断面の面積である。
突起34は、燃料流路15の上流側の領域に対応する領域に配置されている。突起34は、三角柱形状(平面視三角形状)を呈している。突起34は、空気流路16の上流側に向かって先細りとなるように形成されている。空気が突起34に沿って流れるときは、上記の突起31と同様に、突起34の後方で乱流が生じるため、空気の圧力損失が大きくなる。
突起36は、燃料流路15の下流側の領域に対応する領域に配置されている。突起36は、平面視菱形状を呈している。突起36は、空気流路16の上流側及び下流側に向かって先細りとなるように形成されている。空気が突起36に沿って流れるときは、上記の突起33と同様に、突起36の後側部分での整流効果により空気の圧力損失が小さくなる。
従って、燃料流路15の上流側の領域に対応する領域に配置された突起34は、燃料流路15の下流側の領域に対応する領域に配置された突起36よりも空気の乱流が生じやすい形状を有することとなる。
突起35は、突起34,36間の領域に配置されている。突起35は、円柱形状(平面視円形状)を呈している。突起35の形状は、突起36の形状よりも乱流が生じやすく、突起34の形状よりも乱流が生じにくい。このため、空気が突起35に沿って流れるときの圧力損失は、空気が突起36に沿って流れるときの圧力損失よりも大きく、空気が突起34に沿って流れるときの圧力損失よりも小さい。
従って、本変形例によれば、空気流路16の上流側の領域に対応する領域における燃料の圧力損失を、効果的に空気流路16の下流側の領域に対応する領域における燃料の圧力損失よりも大きくすることができる。また、燃料流路15の上流側の領域に対応する領域における空気の圧力損失を、効果的に燃料流路15の下流側の領域に対応する領域における空気の圧力損失よりも大きくすることができる。
なお、本実施形態では、燃料流路15の上流側の領域に対応する領域及び空気流路16の上流側の領域に対応する領域に、三角柱形状(平面視三角形状)の突起31,34がそれぞれ配置されているが、燃料流路15の上流側の領域に対応する領域及び空気流路16の上流側の領域に対応する領域に配置される突起の形状としては、特に三角柱形状には限られない。例えば、図5(b)に示されるような平面視扇形の切欠部41aを有する平面視略円形状の突起41を設けてもよいし、或いは図5(c)に示されるような平面視長方形状の突起42を設けてもよい。何れの場合にも、突起41,42の後方で燃料及び空気の乱流が生じるため、燃料及び空気の圧力損失が大きくなる。
また、燃料流路15の下流側の領域に対応する領域及び空気流路16の下流側の領域に対応する領域に、平面視菱形状の突起33,36がそれぞれ配置されているが、燃料流路15の下流側の領域に対応する領域及び空気流路16の下流側の領域に対応する領域に配置される突起の形状としては、特に平面視菱形状には限られない。例えば図5(e)に示されるような平面視扇形状の突起43を設けてもよい。この場合にも、突起43の後側部分での整流効果により燃料及び空気の圧力損失が小さくなる。
図6は、本発明の他の実施形態に係る燃料電池の外観を示す斜視図である。図6において、本実施形態の燃料電池50は、上述した実施形態の燃料電池1とはタイプが異なる。燃料電池50は、セルアセンブリ2と、このセルアセンブリ2を上下方向に挟むように配置されたインターコネクタ51とを備えている。インターコネクタ51は、平面視正方形状を呈している。
インターコネクタ51は、燃料を導入する燃料導入流路52と、燃料を導出する燃料導出流路53と、空気を導入する空気導入流路54と、空気を導出する空気導出流路55とを有している。燃料導入流路52、燃料導出流路53、空気導入流路54及び空気導出流路55は、インターコネクタ51の4つの角部に配置されていると共に、断面円形状を呈している。
図7(a)は、インターコネクタ51の底面図であり、図7(b)は、インターコネクタ51の平面図である。図5において、インターコネクタ51は、燃料流路形成部56と、空気流路形成部57とを有している。燃料流路形成部56は、燃料極7(図2参照)に供給される燃料が流れる燃料流路58を形成する。空気流路形成部57は、空気極8(図2参照)に供給される空気が流れる空気流路59を形成する。燃料流路58は、燃料導入流路52及び燃料導出流路53と連通している。空気流路59は、空気導入流路54及び空気導出流路55と連通している。
燃料導入流路52と燃料導出流路53とは、インターコネクタ51の一方の対角線上に燃料流路形成部56及び空気流路形成部57を挟んで対向配置されている。空気導入流路54と空気導出流路55とは、インターコネクタ51の他方の対角線上に燃料流路形成部56及び空気流路形成部57を挟んで対向配置されている。燃料導入流路52から燃料導出流路53に燃料が燃料流路58を流れる方向と空気導入流路54から空気導出流路55に空気が空気流路59を流れる方向とは、垂直に交差している。
インターコネクタ51は、インターコネクタ51の下面に開口し、燃料流路58を画成する断面略平行四辺形状の下凹部60と、インターコネクタ51の上面に開口し、空気流路59を画成する断面略平行四辺形状の上凹部61とを有している。
燃料流路形成部56は、複数の円柱状の突起(第1突起)62が下凹部60の底面に突設された構造を有し、各突起62間の空間が燃料流路58の一部となる。各突起62の高さ寸法は等しい。
突起62の径は、空気流路59の上流側(空気導入流路54側)の領域に対応する領域から空気流路59の下流側(空気導出流路55側)の領域に対応する領域に向かうに従って小さくなっている。つまり、突起62の断面積は、空気流路59の上流側の領域に対応する領域から空気流路59の下流側の領域に対応する領域に向かうに従って小さくなっている。ここでいう断面積は、インターコネクタ51の積層方向に対して垂直に切った断面の面積である。
空気流路59の上流側の領域に対応する領域は、セル本体4を挟んで空気流路59の上流側の領域と向き合う領域である。空気流路59の下流側の領域に対応する領域は、セル本体4を挟んで空気流路59の下流側の領域と向き合う領域である。例えば、空気流路59の上流側の領域は、空気流路59における空気が流れる方向の中心位置よりも上流側の領域であり、空気流路59の下流側の領域は、空気流路59における空気が流れる方向の中心位置よりも下流側の領域である。
このとき、空気流路59の下流側の領域に対応する領域に配置された突起62の数は、空気流路59の上流側の領域に対応する領域に配置された突起62の数よりも多い。しかし、空気流路59の上流側の領域に対応する領域に配置された複数の突起62の総断面積は、空気流路59の下流側の領域に対応する領域に配置された複数の突起62の総断面積よりも大きい。これにより、空気流路59の上流側の領域に対応する領域における燃料の圧力損失は、空気流路59の下流側の領域に対応する領域における燃料の圧力損失よりも大きくなる。
空気流路形成部57は、複数の円柱状の突起(第2突起)63が上凹部61の底面に突設された構造を有し、各突起63間の空間が空気流路59の一部となる。各突起63の高さ寸法は等しい。
突起63の径は、燃料流路58の上流側(燃料導入流路52側)の領域に対応する領域から燃料流路58の下流側(燃料導出流路53側)の領域に対応する領域に向かうに従って小さくなっている。つまり、突起63の断面積は、燃料流路58の上流側の領域に対応する領域から燃料流路58の下流側の領域に対応する領域に向かうに従って小さくなっている。ここでいう断面積は、インターコネクタ51の積層方向に対して垂直に切った断面の面積である。
燃料流路58の上流側の領域に対応する領域は、セル本体4を挟んで燃料流路58の上流側の領域と向き合う領域である。燃料流路58の下流側の領域に対応する領域は、セル本体4を挟んで燃料流路58の下流側の領域と向き合う領域である。例えば、燃料流路58の上流側の領域は、燃料流路58における燃料が流れる方向の中心位置よりも上流側の領域であり、燃料流路58の下流側の領域は、燃料流路58における燃料が流れる方向の中心位置よりも下流側の領域である。
このとき、燃料流路58の下流側の領域に対応する領域に配置された突起63の数は、燃料流路58の上流側の領域に対応する領域に配置された突起63の数よりも多い。しかし、燃料流路58の上流側の領域に対応する領域に配置された複数の突起63の総断面積は、燃料流路58の下流側の領域に対応する領域に配置された複数の突起63の総断面積よりも大きい。これにより、燃料流路58の上流側の領域に対応する領域における空気の圧力損失は、燃料流路58の下流側の領域に対応する領域における空気の圧力損失よりも大きくなる。
以上のように本実施形態においては、上述した実施形態と同様に、空気流路59の上流側の領域と空気流路59の下流側の領域とで、セル本体4での発電反応に利用される燃料量及び空気量が均一化されると共に、燃料流路58の上流側の領域と燃料流路58の下流側の領域とで、セル本体4での発電反応に利用される燃料量及び空気量が均一化される。これにより、セル本体4における発電反応の均一化を図ることができる。
以上、本発明の実施形態について説明してきたが、本発明は上記実施形態には限定されない。例えば、上記実施形態では、燃料流路形成部及び空気流路形成部を構成する複数の突起の断面積を変えるか、或いは燃料流路形成部及び空気流路形成部を構成する複数の突起の形状を変えることにより、空気流路の上流側の領域に対応する領域における燃料の圧力損失を空気流路の下流側の領域に対応する領域における燃料の圧力損失よりも大きくすると共に、燃料流路の上流側の領域に対応する領域における空気の圧力損失を燃料流路の下流側の領域に対応する領域における空気の圧力損失よりも大きくしたが、特にその形態には限られない。
例えば、燃料流路形成部及び空気流路形成部を構成する複数の突起の断面積及び形状を変えることにより、空気流路の上流側の領域に対応する領域における燃料の圧力損失を空気流路の下流側の領域に対応する領域における燃料の圧力損失よりも大きくすると共に、燃料流路の上流側の領域に対応する領域における空気の圧力損失を燃料流路の下流側の領域に対応する領域における空気の圧力損失よりも大きくしてもよい。
また、燃料流路形成部及び空気流路形成部を構成する複数の突起の断面積及び形状を全て同じとし、燃料流路形成部及び空気流路形成部を構成する複数の突起の数を変えることにより、空気流路の上流側の領域に対応する領域における燃料の圧力損失を空気流路の下流側の領域に対応する領域における燃料の圧力損失よりも大きくすると共に、燃料流路の上流側の領域に対応する領域における空気の圧力損失を燃料流路の下流側の領域に対応する領域における空気の圧力損失よりも大きくしてもよい。
また、上記実施形態の燃料電池は、セル本体とインターコネクタとが複数ずつ交互に積層されてなるスタック構造を有しているが、本発明は、1つのセル本体と、このセル本体を燃料極側及び空気極側から挟むように配置された2つのインターコネクタとを備えた単セル構造の燃料電池にも適用可能である。
1…燃料電池、3…インターコネクタ、4…セル本体、6…電解質、7…燃料極、8…空気極、13…燃料流路形成部、14…空気流路形成部、15…燃料流路、16…空気流路、19A〜19C…突起(第1突起)、20A〜20C…突起(第2突起)、31〜33…突起(第1突起)、34〜36…突起(第2突起)、50…燃料電池、51…インターコネクタ、56…燃料流路形成部、57…空気流路形成部、58…燃料流路、59…空気流路、62…突起(第1突起)、63…突起(第2突起)。

Claims (3)

  1. 電解質の一面側に配置された燃料極と前記電解質の他面側に配置された空気極とを有し、燃料と空気とを発電反応させるセル本体と、
    前記セル本体を前記燃料極側及び前記空気極側から挟むように配置されたインターコネクタとを備え、
    前記インターコネクタは、前記燃料極に供給される前記燃料が流れる燃料流路を形成する燃料流路形成部と、前記空気極に供給される前記空気が流れる空気流路を形成する空気流路形成部とを有し、
    前記燃料が前記燃料流路を流れる方向と前記空気が前記空気流路を流れる方向とは交差しており、
    前記燃料流路形成部は、前記空気流路の上流側の領域に対応する領域における前記燃料の圧力損失が前記空気流路の下流側の領域に対応する領域における前記燃料の圧力損失よりも大きくなるように配置された複数の第1突起を有し、
    前記空気流路形成部は、前記燃料流路の上流側の領域に対応する領域における前記空気の圧力損失が前記燃料流路の下流側の領域に対応する領域における前記空気の圧力損失よりも大きくなるように配置された複数の第2突起を有することを特徴とする燃料電池。
  2. 前記空気流路の上流側の領域に対応する領域に配置された前記第1突起の断面積は、前記空気流路の下流側の領域に対応する領域に配置された前記第1突起の断面積よりも大きく、
    前記燃料流路の上流側の領域に対応する領域に配置された前記第2突起の断面積は、前記燃料流路の下流側の領域に対応する領域に配置された前記第2突起の断面積よりも大きいことを特徴とする請求項1記載の燃料電池。
  3. 前記空気流路の上流側の領域に対応する領域に配置された前記第1突起は、前記空気流路の下流側の領域に対応する領域に配置された前記第1突起よりも前記燃料の乱流が生じやすい形状を有し、
    前記燃料流路の上流側の領域に対応する領域に配置された前記第2突起は、前記燃料流路の下流側の領域に対応する領域に配置された前記第2突起よりも前記空気の乱流が生じやすい形状を有することを特徴とする請求項1または2記載の燃料電池。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2019003793A (ja) * 2017-06-14 2019-01-10 日本特殊陶業株式会社 電気化学反応単位および電気化学反応セルスタック
WO2021125139A1 (ja) * 2019-12-19 2021-06-24 花王株式会社 嗅覚感受性の向上方法

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