JP2017126472A - Fuel battery - 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.
ガソリン自動車とは異なる新しい自動車として、燃料電池を搭載した燃料電池自動車(FCV : Fuel Cell Vehicle)が注目されている。FCVに搭載された燃料電池は、燃料の水素と、空気中の酸素とを化学反応させることにより発電してモータを駆動する。 As a new vehicle different from a gasoline vehicle, a fuel cell vehicle (FCV) equipped with a fuel cell attracts attention. The fuel cell mounted on the FCV drives the motor by generating electricity by chemically reacting hydrogen of fuel and oxygen in the air.
燃料電池は、複数の燃料電池セルが積層された積層体(いわゆるスタック)として構成されており、複数の積層体が発電に用いられる場合がある(例えば特許文献1〜3参照)。例えば同一の積層体2つが電気的に直列に接続された場合、燃料電池からは個々の積層体の出力電圧の2倍の出力電圧が得られ、出力電流を半分にできるため、積層体の抵抗損失が低減されるという利点がある。 A fuel cell is configured as a stack (so-called stack) in which a plurality of fuel cells are stacked, and the plurality of stacks may be used for power generation (see, for example, Patent Documents 1 to 3). For example, when two identical laminates are electrically connected in series, an output voltage twice as high as the output voltage of each laminate can be obtained from the fuel cell, and the output current can be halved. There is an advantage that loss is reduced.
しかし、複数の積層体が発電に用いられた場合、積層体間の短絡を防止する必要がある。2つの積層体が電気的に直列に接続されている場合、各積層体内の燃料電池セルの間には、最大で各積層体の出力電圧からその出力電圧の2倍に相当する電位差が生ずる。 However, when a plurality of laminated bodies are used for power generation, it is necessary to prevent a short circuit between the laminated bodies. When the two stacked bodies are electrically connected in series, a potential difference corresponding to twice the output voltage from the output voltage of each stacked body is generated between the fuel cells in each stacked body.
このため、積層体間で短絡が生ずると、積層体の発電性能が低下するだけでなく、積層体の周辺の材料が電気分解または熱によりダメージを受けることがある。これは、2つの積層体が電気的に直列に接続されていない場合でも、各積層体内の燃料電池セルの間には電位差があるため、同様である。 For this reason, when a short circuit occurs between the laminates, not only the power generation performance of the laminate is lowered, but also the material around the laminate may be damaged by electrolysis or heat. This is the same because there is a potential difference between the fuel cells in each stack even when the two stacks are not electrically connected in series.
積層体間の短絡を防止するためには、例えば積層体同士を十分に離して絶縁性を確保することが考えられるが、燃料電池が大型化するという問題が生ずる。さらに、積層体ごとに水素などの供給及び排出のためのマニホールドが必要となるため、燃料電池がいっそう大型化する。なお、この問題は、FCVに用いられる燃料電池に限定されず、他の用途の燃料電池についても存在する。 In order to prevent a short circuit between the stacked bodies, for example, it is conceivable to sufficiently separate the stacked bodies to ensure insulation, but there is a problem that the fuel cell is enlarged. Further, since a manifold for supplying and discharging hydrogen or the like is required for each stacked body, the fuel cell is further increased in size. This problem is not limited to the fuel cell used for FCV, but also exists for fuel cells for other uses.
そこで本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、積層体間の短絡が防止され、小型化された燃料電池を提供することを目的とする。 Therefore, the present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a fuel cell that is prevented from being short-circuited between stacked bodies and miniaturized.
本明細書に記載の燃料電池は、酸化ガス及び燃料ガスを用いて発電し、複数層にわたり積層された第1発電部と、酸化ガス及び燃料ガスを用いて発電し、複数層にわたり前記第1発電部に隣接して積層された第2発電部と、前記第1発電部と前記第2発電部の間を絶縁する絶縁部とを有し、前記絶縁部は、前記第1発電部及び前記第2発電部の積層方向に貫通するマニホールドと、発電に用いられた前記酸化ガス及び前記燃料ガスのうち、一方のガスを前記第1発電部から前記マニホールドへ排出する第1排出路と、前記一方のガスを前記第2発電部から前記マニホールドへ排出する第2排出路とが設けられ、前記第1排出路及び前記第2排出路は、各々の排出方向に延びる線同士が前記マニホールド内で交差しないように前記絶縁部に設けられている。 The fuel cell described in the present specification generates power using an oxidizing gas and a fuel gas, and generates a first power generation unit stacked over a plurality of layers, and generates a power using an oxidizing gas and a fuel gas, and the first power generation over a plurality of layers. A second power generation unit stacked adjacent to the power generation unit; and an insulating unit that insulates between the first power generation unit and the second power generation unit, wherein the insulation unit includes the first power generation unit and the first power generation unit. A manifold penetrating in the stacking direction of the second power generation unit; a first discharge path for discharging one of the oxidizing gas and the fuel gas used for power generation from the first power generation unit to the manifold; and A second discharge path for discharging one gas from the second power generation unit to the manifold is provided, and the first discharge path and the second discharge path have lines extending in the respective discharge directions in the manifold. Provided in the insulation so as not to intersect It has been.
本発明によれば、積層体間の短絡を防止し、燃料電池を小型化できる。 According to the present invention, a short circuit between stacked bodies can be prevented and the fuel cell can be downsized.
図1は、比較例の燃料電池を示す斜視図である。また、図2は、比較例の燃料電池の分解斜視図である。なお、図1及び図2において、紙面の右方向をx軸の正方向とし、紙面の斜め奥方向をy軸の正方向とし、紙面の上方向をz軸の正方向とする。この座標系の定義は、以降の図面においても同様とする。 FIG. 1 is a perspective view showing a fuel cell of a comparative example. FIG. 2 is an exploded perspective view of a fuel cell of a comparative example. In FIGS. 1 and 2, the right direction on the paper surface is the positive direction of the x axis, the oblique back direction of the paper surface is the positive direction of the y axis, and the upward direction of the paper surface is the positive direction of the z axis. The definition of the coordinate system is the same in the following drawings.
燃料電池9aは、酸化ガスである空気と、燃料ガスである水素ガスの供給を受けて発電する固体高分子形燃料電池であり、複数の燃料電池セル4aが積層された積層体構造を有する。なお、本例では、空冷式の燃料電池9aを挙げるが、マニホールドの構成を除けば、水冷式の燃料電池も同様の構成を有する。
The
燃料電池セル4aは、カソード側セパレータ12、膜電極ガス拡散層接合体(MEGA: Membrane Electrode Gas diffusion layer Assembly)22、及びアノード側セパレータ39を含む。MEGA22は、板状部材であるカソード側セパレータ12及びアノード側セパレータ39の間に挟まれている。
The
MEGA22は、カソード側セパレータ12のMEGA22に対向する面に形成された複数の空気流路120から空気の供給を受け、アノード側セパレータ39のMEGA22に対向する面に形成された複数の水素流路32から水素ガスの供給を受ける。MEGA22は、空気中の酸素及び水素ガスの電気化学反応により発電する。
The MEGA 22 receives supply of air from the plurality of
符号PはMEGA22の断面を示す。MEGA22は、電解質膜220、アノード電極221、カソード電極222、及びガス拡散層223を有する。電解質膜220は、例えば、湿潤状態で良好なプロトン電導性を示すイオン交換樹脂膜により構成される。このようなイオン交換樹脂膜としては、例えば、ナフィオン(登録商標)などの、イオン交換基としてスルホン酸基を有するフッ素樹脂系のものが挙げられる。
Reference symbol P denotes a cross section of the MEGA 22. The
電解質膜220は、アノード電極221及びカソード電極222の間に挟まれており、電解質膜220、アノード電極221、及びカソード電極222から構成される部分はMEA(MEA: Membrane Electrode Assembly)と呼ばれる。アノード電極221及びカソード電極222は、それぞれ、触媒電極層であり、触媒担持導電性粒子により構成された、ガス拡散性を有する多孔質層として形成されている。例えば、アノード電極221及びカソード電極222は、白金担持カーボンの分散溶液である触媒インクの乾燥塗膜として形成される。
The
アノード電極221及びカソード電極222の外側には、それぞれ、ガス拡散層223が積層されている。ガス拡散層223は、アノード電極221及びカソード電極222の表面に酸素及び水素ガスをそれぞれ行きわたらせる機能と、アノード側セパレータ39及びカソード側セパレータ12との間の導電経路としての機能とを有する。ガス拡散層223は、炭素繊維などの繊維基材や、いわゆるエキスパンドメタルなどの金属板を加工した流路部材、発泡金属などの多孔質部材により構成される。
MEGA22の周囲には、ガスシール性のある絶縁部材である絶縁シール部20,21が設けられている。絶縁シール部20,21は、MEGA22の外周端部を全周にわたって被覆している。絶縁シール部20,21は、例えば、樹脂部材の射出成型により形成されたものでもよいし、複数の樹脂製のフィルム部材を接着することにより形成されたものでもよい。
Insulating
図2には、x軸方向における両端の絶縁シール部20,21だけが示されている。一端の絶縁シール部20には、燃料電池セル4aの積層方向に貫通する貫通孔200が設けられており、貫通孔200は、矩形状の開口面を有し、燃料電池9aに水素ガスを供給する供給マニホールド5aの一部として機能する。他端の絶縁シール部21には、燃料電池セル4aの積層方向に貫通する貫通孔210が設けられており、貫通孔210は、燃料電池9aから、発電に使用された水素ガスを排出する排出マニホールド6aの一部として機能する。
FIG. 2 shows only the
カソード側セパレータ12は、カーボンまたはステンレスなどの導電性材料から形成され、例えばプレス金型による曲げ加工よって形成された厚み方向(z軸方向)の凸凹形状を有する。カソード側セパレータ12では、厚み方向の凸凹形状により形成された複数の並列な空気流路120,121が設けられている。各空気流路120,121は、カソード側セパレータ12の両面に、y軸方向に沿って互いに平行に設けられている。
The cathode-
カソード側セパレータ12の一方の面はMEGA22の1つの面に対向し、カソード側セパレータ12の他方の面はアノード側セパレータ39の1つの面に対向する。MEGA22の対向面に設けられた空気流路120は、矢印で示されるように、供給された空気をMEGA22に導くとともに、MEGA22により発電に用いられた空気(酸素)を排出する。また、この空気流路120、及びアノード側セパレータ39の対向面に設けられた空気流路121は、空気を空気供給口から空気排出口に通すことにより燃料電池9a全体を冷却する。
One surface of the cathode-
図3には、比較例の燃料電池9aに空気を供給する様子が示されている。空気の供給手段としては、例えばファンFが挙げられる。燃料電池9a及びファンFは、互いに向かい合って設置されている。
FIG. 3 shows how air is supplied to the
燃料電池9aでは、ファンFが起こす風が、矢印で示されるように、空気供給口から上記の空気流路120,121を通って空気排出口へ吹き抜けることにより、発電などで生じた熱の冷却とMEGA22への酸素の供給が行われる。このように、燃料電池9aは、空冷方式を用いて冷却を行うため、水冷方式において冷却水の供給に必要な冷却水マニホールドだけでなく、空気の供給に必要な空気マニホールドを省くことができる。
In the
再び図1及び図2を参照すると、x軸方向において、カソード側セパレータ12の両端には絶縁シール部10,11が設けられている。絶縁シール部10,11は、MEGA22の絶縁シール部20,21と同様に、ガスシール性のある絶縁部材である。絶縁シール部10,11は、カソード側セパレータ12を燃料電池9aの外部に対して絶縁するとともに気密性を確保する。
Referring to FIGS. 1 and 2 again, insulating
一端の絶縁シール部10には、燃料電池セル4aの積層方向に貫通する貫通孔100が設けられており、貫通孔100は、矩形状の開口面を有し、燃料電池9aに水素ガスを供給する供給マニホールド5aの一部として機能する。他端の絶縁シール部11には、燃料電池セル4aの積層方向に貫通する貫通孔101が設けられており、貫通孔101は、燃料電池9aから、発電に使用された水素ガスを排出する排出マニホールド6aの一部として機能する。
The insulating
アノード側セパレータ39は、カーボンまたはステンレスなどの導電性材料から形成され、x軸方向の両端に設けられた貫通孔30,31と、MEGA22に対向する面に形成された水素流路32とを有する。水素流路32は、貫通孔30,31同士を接続し、貫通孔30から供給された水素ガスをMEGA22に導くとともに、MEGA22により発電に用いられた水素ガス及び発電で生じた水を貫通孔31へと導く。
The anode-
一方の貫通孔30は、矩形状の開口面を有し、MEGA22に隣接する絶縁シール部20の貫通孔200及びカソード側セパレータ12に隣接する絶縁シール部10の貫通孔100と重なり合う。これにより、積層された全燃料電池セル4a分の貫通孔30,100,200は、図1に示されるように、燃料電池9a外から水素ガスを供給する供給マニホールド5aを構成する。
One through
他方の貫通孔31は、矩形状の開口面を有し、MEGA22に隣接する絶縁シール部21の貫通孔210及びカソード側セパレータ12に隣接する絶縁シール部11の貫通孔101と重なり合う。このため、貫通孔31,101,210は、図1に示されるように、燃料電池セル4aの積層数分だけ積層されることにより、水素ガスを燃料電池9a外へ排出する排出マニホールド6aを構成する。
The other through
供給マニホールド5a及び排出マニホールド6aは、燃料電池セル4aの積層方向に沿って設けられた貫通孔である。水素ガスは、燃料電池9aの下部の水素供給口7aから供給マニホールド5aに導入され、符号D1で示されるように流通する。なお、水素供給口7aは、例えば燃料電池9aの積層体の最下層の貫通孔100に相当する。
The
供給マニホールド5aに導入された水素ガスの一部は、積層体内の各アノード側セパレータ39に導入され、水素流路32を通り排出マニホールド6aへと排出され、符号D2で示されるように燃料電池9aの下部の水素排出口8aから外部へ排気される。また、水素ガスと酸素の電気化学反応により生成された水の一部も、水素流路32を通り排出マニホールド6aへと排出される。なお、水素排出口8aは、例えば燃料電池9aの積層体の最下層の貫通孔101に相当する。
Part of the hydrogen gas introduced into the
水素流路32は、例えばプレス加工などで形成された溝であり、一例として、入口側の貫通孔30から、アノード側セパレータ39の表面を3列に分かれて蛇行しながら出口側の貫通孔31へ向かうように設けられている(矢印参照)。なお、水素流路32は、並列する複数本の溝として形成される場合があるが、便宜上、図2では1本の線で描かれている。
The
各燃料電池セル4aのアノード側セパレータ39は、最下層のものを除き、その直下の燃料電池セル4aのカソード側セパレータ12と接触する。したがって、燃料電池9aの積層体内において、各燃料電池セル4aは互いに電気的に直列に接続されるため、燃料電池9aの出力電圧は、各燃料電池セル4aの電圧の合計となる。
The anode-
本例において、燃料電池9aは、単一の積層体として構成されているが、例えば2つの積層体に分けて構成し、積層体同士を電気的に直列に接続した場合、アノード電極221及びカソード電極222の面積が約半分となるため、得られる電力を維持したまま、出力電圧を約2倍に増加し、出力電流を約半分にできる。これにより、積層体の抵抗損失が低減されるという利点が得られる。
In this example, the
しかし、燃料電池9aを複数の積層体で構成する場合、積層体間の短絡を防止するため、積層体同士を十分に離して絶縁性を確保することが考えられるが、燃料電池が大型化する。さらに、上記の供給マニホールド5a及び排出マニホールド6aを積層体ごとに設けると、燃料電池がいっそう大型化する。
However, when the
そこで、実施例に燃料電池は、2つの積層体の間に水素ガスの供給マニホールド及び排出マニホールドが形成された絶縁部を設けることにより、各積層体の間の絶縁性を確保するとともに、供給マニホールド及び排出マニホールドを各積層体の間で共有化させる。また、水素ガスとともに各積層体から排出マニホールドに排出される生成水同士が接触することで積層体間が短絡することを防止するため、生成水の排出方向に延びる線同士が排出マニホールド内で交差しないように絶縁部に排出路を設ける。これにより、燃料電池が2つの積層体から構成された場合でも、燃料電池の小型化が可能となる。以下に実施例の燃料電池について説明する。 Therefore, in the fuel cell according to the embodiment, by providing an insulating portion in which a supply manifold and a discharge manifold for hydrogen gas are formed between two stacked bodies, insulation between the stacked bodies is ensured and a supply manifold is provided. And the discharge manifold is shared between the laminates. In addition, in order to prevent short circuit between the stacked bodies caused by contact between the generated water discharged from each stacked body together with hydrogen gas to the discharge manifold, lines extending in the discharge direction of the generated water intersect in the discharge manifold. In order to prevent this, a discharge path is provided in the insulating part. Thereby, even when the fuel cell is composed of two laminated bodies, the fuel cell can be downsized. The fuel cell of an Example is demonstrated below.
図4は、実施例の燃料電池を示す斜視図である。また、図5は、実施例の燃料電池の分解斜視図である。 FIG. 4 is a perspective view showing the fuel cell of the embodiment. FIG. 5 is an exploded perspective view of the fuel cell of the embodiment.
燃料電池9は、酸化ガスである空気と、燃料ガスである水素ガスの供給を受けて発電する固体高分子形燃料電池である。燃料電池9は、複数の燃料電池セル40が積層された積層体STa、複数の燃料電池セル41が積層された積層体STb、及び2つの積層体STa,STbの間を絶縁する絶縁部ZTを有する。なお、本例の燃料電池9は、2つの積層体STa,STbから構成されるが、積層体数に限定はない。また、本例では、空冷式の燃料電池9を挙げるが、マニホールドの構成を除けば、水冷式の燃料電池も同様の構成を有する。
The fuel cell 9 is a polymer electrolyte fuel cell that generates electric power by receiving supply of air as an oxidizing gas and hydrogen gas as a fuel gas. The fuel cell 9 includes a stack STa in which a plurality of
燃料電池セル40は、カソード側セパレータ140、MEGA250、及びアノード側セパレータ330を含む。MEGA250は、板状部材であるカソード側セパレータ140及びアノード側セパレータ330の間に挟まれている。燃料電池セル40は、第1発電部の一例であり、複数層にわたって積層され、空気及び水素ガスを用いて発電する。
The
燃料電池セル41は、カソード側セパレータ141、MEGA251、及びアノード側セパレータ331を含む。MEGA251は、板状部材であるカソード側セパレータ141及びアノード側セパレータ331の間に挟まれている。燃料電池セル41は、第2発電部の一例であり、複数層にわたって他方の燃料電池セル40に隣接して積層され、空気及び水素ガスを用いて発電する。
The
MEGA250,251は、比較例の燃料電池9aのMEGA22と同様の構成を備える。MEGA250は、カソード側セパレータ140のMEGA250に対向する面に形成された複数の空気流路160から空気の供給を受け、アノード側セパレータ330のMEGA250に対向する面に形成された複数の水素流路340から水素ガスの供給を受ける。
The
MEGA251は、カソード側セパレータ141のMEGA251に対向する面に形成された複数の空気流路170から空気の供給を受け、アノード側セパレータ331のMEGA251に対向する面に形成された複数の水素流路341から水素ガスの供給を受ける。MEGA250,251は、空気中の酸素及び水素ガスの電気化学反応により発電する。
The
MEGA250,251の周囲には、ガスシール性のある絶縁部材である絶縁シール部23が設けられている。絶縁シール部23は、MEGA250,251の外周端部を全周にわたって被覆している。絶縁シール部23は、例えば、樹脂部材の射出成型により形成されたものでもよいし、複数の樹脂製のフィルム部材を接着することにより形成されたものでもよい。なお、図5には、x軸方向における両端の絶縁シール部23だけが示されている。
Around the
また、MEGA250,251の間には、ガスシール性のある絶縁部材である中間絶縁部24が設けられている。中間絶縁部24は、上記の絶縁シール部23と同様に樹脂系の材料により形成されている。中間絶縁部24は、MEGA250,251の間を絶縁するとともにシールする。なお、中間絶縁部24は、絶縁シール部23と一体的に成型されたものであってもよいし、個別に成型されたものであってもよい。
Further, an intermediate insulating
中間絶縁部24には、燃料電池セル40,41の積層方向に貫通する貫通孔240,241が設けられている。貫通孔241は、矩形状の開口面を有し、燃料電池9に水素ガスを供給する供給マニホールド5の一部として機能する。また、貫通孔240は、燃料電池9から、発電に使用された水素ガスを排出する排出マニホールド6の一部として機能する。
The intermediate insulating
カソード側セパレータ140,141は、比較例の燃料電池9aのカソード側セパレータ12と同様に、カーボンまたはステンレスなどの導電性材料から形成され、例えばプレス金型による曲げ加工よって形成された厚み方向(z軸方向)の凸凹形状を有する。カソード側セパレータ140,141では、厚み方向の凸凹形状により形成された複数の並列な空気流路160,161,170,171が設けられている。各空気流路160,161,170,171は、カソード側セパレータ140,141の両面に、y軸方向に沿って互いに平行に設けられている。
The cathode-
カソード側セパレータ140の一方の面はMEGA250の1つの面に対向し、カソード側セパレータ140の他方の面はアノード側セパレータ330の1つの面に対向する。MEGA250の対向面に設けられた空気流路160は、矢印で示されるように、供給された空気をMEGA250に導くとともに、MEGA250により発電に用いられた空気(酸素)と電気化学反応により生成された水の一部を排出する。また、この空気流路160、及びアノード側セパレータ330の対向面に設けられた空気流路161は、空気を空気供給口から空気排出口に通すことにより燃料電池9全体を冷却する。
One surface of the cathode-
カソード側セパレータ141の一方の面はMEGA251の1つの面に対向し、カソード側セパレータ141の他方の面はアノード側セパレータ331の1つの面に対向する。MEGA251の対向面に設けられた空気流路170は、矢印で示されるように、供給された空気をMEGA251に導くとともに、MEGA251により発電に用いられた空気(酸素)と電気化学反応により生成された水の一部を排出する。また、この空気流路170、及びアノード側セパレータ331の対向面に設けられた空気流路171は、空気を空気供給口から空気排出口に通すことにより燃料電池9全体を冷却する。
One surface of the
図6には、実施例の燃料電池9に空気を供給する様子が示されている。燃料電池9には、比較例と同様にファンFから空気が供給される。燃料電池9及びファンFは、互いに向かい合って設置されている。 FIG. 6 shows how air is supplied to the fuel cell 9 of the embodiment. Air is supplied from the fan F to the fuel cell 9 as in the comparative example. The fuel cell 9 and the fan F are installed facing each other.
燃料電池9では、ファンFが起こす風が、矢印で示されるように、空気供給口から上記の空気流路160,161,170,171を通って空気排出口へ吹き抜けることにより、発電などで生じた熱の冷却とMEGA250,251への酸素の供給が行われる。このように、燃料電池9は、空冷方式を用いて冷却を行うため、水冷方式において冷却水の供給に必要な冷却水マニホールドだけでなく、空気の供給に必要な空気マニホールドを省くことができる。
In the fuel cell 9, the wind generated by the fan F is generated by power generation or the like by blowing from the air supply port to the air discharge port through the
再び図4及び図5を参照すると、x軸方向において、カソード側セパレータ140の一端及びカソード側セパレータ141の一端には絶縁シール部13が設けられている。絶縁シール部13は、MEGA250,251の絶縁シール部23と同様に、ガスシール性のある絶縁部材である。絶縁シール部13は、カソード側セパレータ140,141を燃料電池9の外部に対して絶縁するとともに気密性を確保する。
4 and 5 again, the insulating
また、カソード側セパレータ140,141の各々の他端の間には、ガスシール性のある絶縁部材である中間絶縁部15が設けられている。中間絶縁部15は、上記の絶縁シール部13と同様に樹脂系の材料により形成されている。中間絶縁部15は、カソード側セパレータ140,141の間を絶縁するとともにシールする。
Further, an intermediate insulating
中間絶縁部15には、燃料電池セル40,41の積層方向に貫通する貫通孔150,151が設けられている。貫通孔151は、矩形状の開口面を有し、燃料電池9に水素ガスを供給する供給マニホールド5の一部として機能する。また、貫通孔150は、燃料電池9から、発電に使用された水素ガスを排出する排出マニホールド6の一部として機能する。
The intermediate insulating
アノード側セパレータ330は、カーボンまたはステンレスなどの導電性材料から形成され、MEGA250に対向する面に形成された水素流路340を有する。また、アノード側セパレータ331は、カーボンまたはステンレスなどの導電性材料から形成され、MEGA251に対向する面に形成された水素流路341を有する。
The anode-
アノード側セパレータ330,331の間には、ガスシール性のある絶縁部材である中間絶縁部35が設けられている。中間絶縁部35は、上記の中間絶縁部15,24と同様に樹脂系の材料により形成されている。中間絶縁部35は、アノード側セパレータ330,331の間を絶縁するとともにシールする。
Between the anode-
中間絶縁部35には、燃料電池セル40,41の積層方向に貫通する貫通孔350,351が設けられている。貫通孔351は、矩形状の開口面を有し、燃料電池9に水素ガスを供給する供給マニホールド5の一部として機能する。また、貫通孔350は、燃料電池9から、発電に使用された水素ガスを排出する排出マニホールド6の一部として機能する。
The intermediate insulating
アノード側セパレータ330の水素流路340は、貫通孔351から供給された水素ガスをMEGA250に導くとともに、MEGA250により発電に用いられた水素ガス及び発電で生じた水を貫通孔350へと導く。また、アノード側セパレータ331の水素流路341は、貫通孔351から供給された水素ガスをMEGA251に導くとともに、MEGA251により発電に用いられた水素ガス及び発電で生じた水を貫通孔350へと導く。なお、中間絶縁部35には、水素流路340,341と貫通孔350,351を接続する水素ガスの流路が形成されている。
The
アノード側セパレータ330,331の間の中間絶縁部35、カソード側セパレータ140,141の間の中間絶縁部15、及びMEGA250,251の間の中間絶縁部24は、それぞれ、燃料電池セル40,41の積層数分だけ積層されることにより、図4に示された積層体STa,STbの間の絶縁部ZTを構成する。
The intermediate insulating
一方の貫通孔351は、矩形状の開口面を有し、中間絶縁部24の貫通孔241及び中間絶縁部15の貫通孔151と重なり合う。このため、貫通孔241,151,351は、図4に示されるように、燃料電池セル40,41の積層数分だけ積層されることにより、燃料電池9外から水素ガスを供給する供給マニホールド5を構成する。
One through
他方の貫通孔350は、矩形状の開口面を有し、中間絶縁部24の貫通孔240及び中間絶縁部15の貫通孔150と重なり合う。このため、貫通孔240,150,350は、図4に示されるように、燃料電池セル40,41の積層数分だけ積層されることにより、水素ガスを燃料電池9外へ排出する排出マニホールド6を構成する。なお、排出マニホールド6はマニホールドの一例である。
The other through
供給マニホールド5及び排出マニホールド6は、燃料電池セル40,41の積層方向に沿って設けられた貫通孔である。水素ガスは、燃料電池9の下部の水素供給口7から供給マニホールド5に導入され、符号D3で示されるように流通する。なお、水素供給口7は、例えば燃料電池9の積層体の最下層の貫通孔151に相当する。
The
供給マニホールド5に導入された水素ガスの一部は、積層体STa,STb内の各アノード側セパレータ330,331に導入され、水素流路340,341を通り排出マニホールド6へと排出され、符号D4で示されるように燃料電池9の下部の水素排出口8から外部へ排気される。また、水素ガスと酸素の電気化学反応により生成された水の一部も、水素流路340,341を通り排出マニホールド6へと排出される。なお、水素排出口8は、例えば燃料電池9の積層体STa,STbの最下層の貫通孔150に相当する。
Part of the hydrogen gas introduced into the
水素流路340,341は、例えばプレス加工などで形成された溝である。水素流路340は、一例として、入口側の貫通孔351から、アノード側セパレータ330の表面を蛇行しながら出口側の貫通孔350へ向かうように設けられている。また、水素流路341は、一例として、入口側の貫通孔351から、アノード側セパレータ331の表面を蛇行しながら出口側の貫通孔350へ向かうように設けられている。なお、水素流路340,341は、並列する複数本の溝として形成されるが、便宜上、図5では1本の線で描かれている。
The
本例において、燃料電池9は、2つの積層体STa、STbから構成されている。このため、積層体STa,STb同士を電気的に直列に接続した場合、アノード電極221及びカソード電極222の面積が比較例の場合の約半分となるため、得られる電力を維持したまま、出力電圧を約2倍に増加し、出力電流を約半分にできる。これにより、積層体STa、STbの抵抗損失が低減されるという利点が得られる。なお、積層体STa,STbは、これに限定されず、電気的に並列に接続されてもよい。
In this example, the fuel cell 9 is composed of two stacked bodies STa and STb. For this reason, when the stacked bodies STa and STb are electrically connected in series, the area of the
また、2つの積層体STa,STbの間には、供給マニホールド5及び排出マニホールド6が設けられた絶縁部ZTが備えられているため、積層体STa、STbの間で絶縁性が確保されるとともに、供給マニホールド5及び排出マニホールド6が共有化されることで、マニホールドが分割されている場合に必要なマニホールド間のシール部材が不要となり、燃料電池9の小型化が可能となる。また、比較例と比べると、燃料電池セル40,41において水素流路340,341の長さを短縮できるため、例えば水素流路340,341の溝を浅くすることにより、燃料電池9の小型化が可能となる。
In addition, since the insulating portion ZT provided with the
しかし、以下に述べるように、積層体STaの燃料電池セル40から排出マニホールド6へ流れ込む生成水と、積層体STbの燃料電池セル41から排出マニホールド6へ流れ込む生成水の一部が、排出マニホールド6内で交わり液橋が形成された場合、燃料電池セル40,41間が導通して絶縁性が失われる。
However, as described below, the generated water that flows from the
図7は、中間絶縁部35の比較例を示す上面図である。中間絶縁部35は、上述したようにアノード側セパレータ330,331の間に設けられており、供給マニホールド5を構成する貫通孔351及び排出マニホールド6を構成する貫通孔350を有する。
FIG. 7 is a top view showing a comparative example of the intermediate insulating
アノード側セパレータ330の水素流路340と貫通孔351は、中間絶縁部35の表面に形成された複数の供給路370を介して連通する。複数の供給路370は、一例として、並行する複数本の溝として形成されるが、これに限定されない。供給マニホールド5から導入された水素ガスは、供給路370を通って水素流路340に入る。
The
また、アノード側セパレータ330の水素流路340と貫通孔350は、中間絶縁部35の表面に形成された複数の排出路360cを介して連通する。複数の排出路360cは、一例として、並行する複数本の溝として形成されるが、これに限定されない。発電に用いられた水素ガス及び発電で生じた生成水の一部は、排出路360cを通って排出マニホールド6へ排出される。ここで、排出路360cの排出方向は符号Xaで示されている。
Further, the
一方、アノード側セパレータ331の水素流路341と貫通孔351は、中間絶縁部35の表面に形成された複数の供給路371を介して連通する。複数の供給路371は、一例として、並行する複数本の溝として形成されるが、これに限定されない。供給マニホールド5から導入された水素ガスは、供給路371を通って水素流路341に入る。
On the other hand, the
また、アノード側セパレータ331の水素流路341と貫通孔350は、中間絶縁部35の表面に形成された複数の排出路361cを介して連通する。複数の排出路361cは、一例として、並行する複数本の溝として形成されるが、これに限定されない。発電に用いられた水素ガス及び発電で生じた生成水の一部は、排出路361cを通って排出マニホールド6へ排出される。ここで、排出路361cの排出方向は符号Xbで示されている。
In addition, the
本例では、点線で示されるように、排出路360cの排出方向Xaに延びる線と排出路361cの排出方向Xbに延びる線が排出マニホールド6内で交差する。このため、排出路360cから排出マニホールド6へ排出された生成水と、排出路361cから排出マニホールド6へ排出された生成水が、接触して液橋を形成し、アノード側セパレータ330,331の間が導通するおそれがある。アノード側セパレータ330,331の間が導通すると、上述したように積層体STa,STbの間が短絡する。
In this example, as indicated by a dotted line, a line extending in the discharge direction Xa of the
これに対して、排出路360cから排出マニホールド6へ排出された生成水と、排出路361cから排出マニホールド6へ排出された生成水が、接触しないように、排出マニホールド6内に仕切り板を設けることもできる。しかし、この場合、排出マニホールド6内の表面積が仕切り板の表面積分だけ増加することで水素ガスの流れによる圧損が増加するため、効果的ではない。
In contrast, a partition plate is provided in the
そこで、以下の実施例では、排出路360c,361cは、各々の排出方向Xa,Xbに延びる線同士が排出マニホールド6内で交差しないように絶縁部ZTに設けられている。なお、燃料電池9の運転温度の範囲が、生成水の気化する温度を超えている場合、排出マニホールド6内で生成水の液橋が形成されることがないため、各排出路360c,361の排出方向Xa,Xbに延びる線同士が排出マニホールド6内で交差しても、積層体STa,STbの間が短絡することはない。
Therefore, in the following embodiments, the
図8は、中間絶縁部35の一例を示す上面図である。図8において、図7と共通する構成については、同一の符号を付し、その説明を省略する。
FIG. 8 is a top view illustrating an example of the intermediate insulating
中間絶縁部35には、貫通孔350,351と、複数の排出路360,361とが設けられている。排出路360は、第1排出路の一例であり、水素ガスをMEGA250から排出マニホールド6へ排出する。排出路361は、第2排出路の一例であり、水素ガスをMEGA251から排出マニホールド6へ排出する。
The intermediate insulating
アノード側セパレータ330の水素流路340と貫通孔350は、中間絶縁部35の表面に形成された複数の排出路360を介して連通する。複数の排出路360は、一例として、並行する複数本の溝として形成されるが、これに限定されない。発電に用いられた水素ガス及び発電で生じた生成水の一部は、排出路360を通って排出マニホールド6へ排出される。
The
また、アノード側セパレータ331の水素流路341と貫通孔350は、中間絶縁部35の表面に形成された複数の排出路361を介して連通する。複数の排出路361は、一例として、並行する複数本の溝として形成されるが、これに限定されない。発電に用いられた水素ガス及び発電で生じた生成水の一部は、排出路361を通って排出マニホールド6へ排出される。
Further, the
本例では、点線で示されるように、排出路360の排出方向Xaに延びる線と排出路361の排出方向Xbに延びる線が、排出マニホールド6内で交差しない。より具体的には、排出路360,361は、各々の排出方向Xa,Xbが平行となるように設けられている。
In this example, as indicated by a dotted line, the line extending in the discharge direction Xa of the
したがって、排出路360から排出マニホールド6へ排出された生成水と、排出路361から排出マニホールド6へ排出された生成水は、接触して液橋を形成することがないため、積層体STa,STbの間の短絡を防止することができる。
Therefore, since the generated water discharged from the
本例では、排出路360,361の各排出方向Xa,Xbを平行としたが、これに限定されない。
In this example, the discharge directions Xa and Xb of the
図9は、中間絶縁部35の他例を示す上面図である。図9において、図8と共通する構成については同一の符号を付し、その説明を省略する。
FIG. 9 is a top view showing another example of the intermediate insulating
本例では、点線で示されるように、排出マニホールド6の開口面の上面視において、排出路360の排出方向Xaが、排出マニホールド6の壁面に対して90度をなすのに対し、排出路361の排出方向Xbは、排出マニホールド6の壁面に対して鋭角αをなす。このため、排出路360の排出方向Xaと排出路361の排出方向Xbは平行ではない。
In this example, as indicated by a dotted line, the discharge direction Xa of the
しかし、排出路360の排出方向Xaに延びる線と排出路361の排出方向Xbに延びる線は、排出マニホールド6内で交差しない。したがって、本例でも、図8の例と同様に、積層体STa,STbの間の短絡が防止される。
However, the line extending in the discharge direction Xa of the
また、本例の排出路360のように、排出方向Xaの排出マニホールド6の壁面に対する角度を90度とした場合、生成水が排出マニホールド6の壁面で跳ね返っても、跳ね返る角度を、その壁面に対して90度となるように制御できる。このため、以下に述べるように、開口面が矩形状の排出マニホールド6の場合、他方の排出路361の排出方向Xaの排出マニホールド6の壁面に対する角度も90度とすることにより、壁面で跳ね返った生成水による液橋の生成が防止される。
Further, when the angle of the discharge direction Xa with respect to the wall surface of the
図10は、中間絶縁部35の他例を示す上面図である。図10において、図8と共通する構成については同一の符号を付し、その説明を省略する。
FIG. 10 is a top view showing another example of the intermediate insulating
本例では、点線で示されるように、排出マニホールド6の開口面の上面視において、排出路360の排出方向Xa及び排出路361の排出方向Xbが、排出マニホールド6の壁面に対して90度をなす。このため、排出路360,361から排出された生成水が排出マニホールド6の壁面で跳ね返っても、跳ね返る角度を、その壁面に対して90度となるように制御できる。
In this example, as indicated by a dotted line, the discharge direction Xa of the
したがって、各排出路360,361から生成水が排出マニホールド6の壁面で跳ね返った場合、その跳ね返る方向は平行となるため、生成水の液橋が生成されることはない。よって、本例によると、積層体STa,STbの間の短絡を、より効果的に防止できる。
Accordingly, when the generated water bounces off the wall of the
なお、本実施例の燃料電池9は、排出マニホールド6内に生成水が滞留することでアノード側セパレータ330,331の間が導通しないように、積層体STa,STbの積層方向を鉛直方向に一致させた状態で用いられるのが好ましい。この場合、排出マニホールド6内の生成水の排出方向が重力の方向となるため、排出される水素ガスのガス流と重力により生成水が効果的に排出される。したがって、排出マニホールド6内の生成水の滞留が防止される。
In the fuel cell 9 of the present embodiment, the stacking directions of the stacked bodies STa and STb coincide with the vertical direction so that the generated water stays in the
また、本実施例の燃料電池9は、空冷方式に限定されず、水冷方式でもよい。この場合、燃料電池9は、水素ガスの供給マニホールド5及び排出マニホールド6に加えて、冷却水の供給マニホールド及び排出マニホールドと、空気の供給マニホールド及び排出マニホールドとが設けられる。
Further, the fuel cell 9 of the present embodiment is not limited to the air cooling method, and may be a water cooling method. In this case, in addition to the hydrogen
このとき、空気の供給マニホールド及び排出マニホールドを、水素ガスの供給マニホールド5及び排出マニホールド6と同様に、絶縁部ZTに設けておき、2つの積層体STa,STbの間で共有化することができる。さらに、カソード側セパレータ140,141の間の中間絶縁部15に、水素ガスの供給路370,371及び排出路360,361と同様の供給路及び排出路をそれぞれ設けることにより、生成水の液橋の生成による積層体STa,STbの間の短絡を防止することができる。
At this time, similarly to the hydrogen
これまで述べたように、実施例に燃料電池9は、空気及び水素ガスを用いて発電し、複数層にわたり積層された燃料電池セル40と、空気及び水素ガスを用いて発電し、複数層にわたり燃料電池セル40に隣接して積層された燃料電池セル41と、燃料電池セル40,41の間を絶縁する絶縁部ZTとを有する。
As described above, in the embodiment, the fuel cell 9 generates power using air and hydrogen gas, and generates
絶縁部ZTは、燃料電池セル40,41の積層方向に貫通する排出マニホールド6と、発電に用いられた水素ガスを燃料電池セル40から排出マニホールド6へ排出する排出路360と、発電に用いられた水素ガスを燃料電池セル41から排出マニホールド6へ排出する排出路361とが設けられている。排出路360,361は、各々の排出方向Xa,Xbに延びる線同士が排出マニホールド6内で交差しないように絶縁部ZTに設けられている。
The insulating part ZT is used for power generation, a
上記の構成によると、燃料電池セル40,41の積層体STa、STbの間で絶縁性が確保されるとともに、供給マニホールド5及び排出マニホールドが共有化されることで、燃料電池9の小型化が可能となる。
According to the above configuration, the insulating property is ensured between the stacked bodies STa and STb of the
また、各排出路360,361の排出方向Xa,Xbに延びる線同士が排出マニホールド6内で交差しないため、燃料電池セル40から排出マニホールド6へ流れ込む生成水と、燃料電池セル41から排出マニホールド6へ流れ込む生成水が、排出マニホールド6内で交わり液橋が形成されることはない。このため、積層体STa、STbの間が導通して絶縁性が失われることが防止される。
Further, since the lines extending in the discharge directions Xa and Xb of the
したがって、実施例の燃料電池9は、積層体STa,STbの間の短絡が防止され、小型化が可能である。 Therefore, the fuel cell 9 according to the embodiment can prevent a short circuit between the stacked bodies STa and STb and can be downsized.
上述した実施形態は本発明の好適な実施の例である。但し、これに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変形実施可能である。 The above-described embodiment is an example of a preferred embodiment of the present invention. However, the present invention is not limited to this, and various modifications can be made without departing from the scope of the present invention.
5,5a 排出マニホールド
9,9a 燃料電池
40,41 燃料電池セル
360,361 排出路
Xa,Xb 排出方向
ZT 絶縁部
5,
Claims (1)
酸化ガス及び燃料ガスを用いて発電し、複数層にわたり前記第1発電部に隣接して積層された第2発電部と、
前記第1発電部と前記第2発電部の間を絶縁する絶縁部とを有し、
前記絶縁部は、
前記第1発電部及び前記第2発電部の積層方向に貫通するマニホールドと、
発電に用いられた前記酸化ガス及び前記燃料ガスのうち、一方のガスを前記第1発電部から前記マニホールドへ排出する第1排出路と、
前記一方のガスを前記第2発電部から前記マニホールドへ排出する第2排出路とが設けられ、
前記第1排出路及び前記第2排出路は、各々の排出方向に延びる線同士が前記マニホールド内で交差しないように前記絶縁部に設けられていることを特徴とする燃料電池。 A first power generation unit that generates power using an oxidizing gas and a fuel gas and is stacked over a plurality of layers;
A second power generation unit that generates power using an oxidizing gas and a fuel gas and is stacked adjacent to the first power generation unit over a plurality of layers;
An insulating portion that insulates between the first power generation unit and the second power generation unit;
The insulating part is
A manifold penetrating in the stacking direction of the first power generation unit and the second power generation unit;
A first discharge path for discharging one of the oxidizing gas and the fuel gas used for power generation from the first power generation unit to the manifold;
A second discharge path for discharging the one gas from the second power generation unit to the manifold,
The fuel cell according to claim 1, wherein the first discharge path and the second discharge path are provided in the insulating portion so that lines extending in the respective discharge directions do not intersect within the manifold.
Priority Applications (1)
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Cited By (1)
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JP7380431B2 (en) | 2020-06-02 | 2023-11-15 | トヨタ自動車株式会社 | fuel cell system |
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- 2016-01-13 JP JP2016004800A patent/JP2017126472A/en active Pending
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