JP2018055788A - Fuel cell stack - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池スタックに関する。 The present invention relates to a fuel cell stack.
従来から、燃料電池スタックにおいては、燃料ガス流路を流れた燃料ガスをマニホールドに排出させる構造が公知である(特許文献1参照)。 Conventionally, in a fuel cell stack, a structure in which fuel gas flowing through a fuel gas flow path is discharged to a manifold is known (see Patent Document 1).
この特許文献1におけるアノード側セパレータは、水素流路と、水素流路を通ったアノードオフガスが流入する出口バッファ部と、出口バッファ部のマニホールド側に配設されたアノードオフガス導出流路と、を備えている。前記水素流路から流出したアノードオフガスは、出口バッファ部からアノードオフガス導出流路を介してマニホールドに排出される。
The anode-side separator in
しかしながら、特許文献1では、出口バッファ部に親水性処理が施され、アノードオフガス導出流路に撥水性処理が施されている。従って、アノードオフガスに混入した残留水が、撥水性を有するアノードオフガス導出流路で溜まりやすくなるという問題があった。
However, in
そこで、本発明は、残留水をガス流路から効率的にマニホールドに排出することができる燃料電池スタックを提供することを目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to provide a fuel cell stack capable of efficiently discharging residual water from a gas flow path to a manifold.
本発明に係る燃料電池スタックは、膜電極接合体、第1セパレータ、および第2セパレータからなるセルユニットが複数積層されて構成される。撥水性領域がガス通路の全長に亘って連続して繋がっている撥水性領域連続通路を設けた。 The fuel cell stack according to the present invention is configured by laminating a plurality of cell units including a membrane electrode assembly, a first separator, and a second separator. A water repellent region continuous passage in which the water repellent region is continuously connected over the entire length of the gas passage is provided.
本発明に係る燃料電池スタックによれば、ガスに混入した残留水をガス通路から効率的にマニホールドに排出することができる。 According to the fuel cell stack of the present invention, the residual water mixed in the gas can be efficiently discharged from the gas passage to the manifold.
以下、本発明の実施形態を図面とともに詳述する。なお、図面において、燃料電池スタックの積載方向の上側(鉛直上方)をP方向、下側(鉛直下方)をQ方向、水平方向をR方向、セルユニットの短手方向をX方向、長手方向をY方向とする。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the drawing, the upper side (vertically upward) of the stack direction of the fuel cell stack is the P direction, the lower side (vertically downward) is the Q direction, the horizontal direction is the R direction, the short direction of the cell unit is the X direction, and the longitudinal direction is the longitudinal direction. The Y direction is assumed.
[第1の実施形態]
まず、第1の実施形態に係る燃料電池スタックを図1〜図10を用いて説明する。
[First embodiment]
First, the fuel cell stack according to the first embodiment will be described with reference to FIGS.
第1の実施形態に係る燃料電池スタックには、セルユニットが上下方向に沿って複数段に積層されている。 In the fuel cell stack according to the first embodiment, cell units are stacked in a plurality of stages along the vertical direction.
1つのセルユニットは、膜電極接合体1と、膜電極接合体1の下側(Q方向)に配置された第1セパレータ3と、膜電極接合体1の上側(P方向)に配置された第2セパレータ5と、から構成される。これらの膜電極接合体1、第1セパレータ3および第2セパレータ5は水平方向であるR方向に沿って延びる平面視が長方形状に形成されており、図面では長手方向(Y方向)の中央部分まで示している。なお、1つの燃料電池スタックを構成するセルユニットの数は限定されない。
One cell unit is disposed on the
膜電極接合体1は、MEA(Membrane Electrode Assembly)とも呼称されるものであり、長手方向であるY方向の中央部に反応面7が形成されている。この反応面7は、例えば固体高分子からなる電解質膜と電解質膜を挟持する一対の電極とを備える。図1,4,5に示すように、膜電極接合体1におけるY方向の端部には、短手方向であるX方向に沿って燃料ガス用マニホールド9、冷却媒体用マニホールド11および酸化ガス用マニホールド13が並列している。また、膜電極接合体1の上面および下面には、断面円形状のシール材15が配索されている。
The
第1セパレータ3は、図1,2,4,5に示すように、膜電極接合体1の下側に組み付けられるため、膜電極接合体1と第1セパレータ3とで画成される空間に酸化ガス(例えば、酸素)が流れるように構成されている。第1セパレータ3におけるY方向の端部には、短手方向であるX方向に沿って燃料ガス用マニホールド17、冷却媒体用マニホールド19および酸化ガス用マニホールド21が並列している。第1セパレータ3の裏側には、長手方向であるY方向の中央部にY方向に沿って延在する冷却媒体流路23が複数形成されている。燃料ガス用マニホールド17の周縁部のうちY方向の中央側の周縁部には、平坦な凸面25が一般面26よりも上側(P方向)に膨出して形成されている。また、第1セパレータ3の上面および下面の外周部分には、シート状の薄いシール材27が配索されている。
As shown in FIGS. 1, 2, 4, and 5, the
第2セパレータ5は、図1,3,4,5に示すように、膜電極接合体1の上側に組み合わされるため、膜電極接合体1と第2セパレータ5とで画成される空間に燃料ガス(例えば、水素)が流れるように構成されている。第2セパレータ5におけるY方向の端部には、短手方向であるX方向に沿って燃料ガス用マニホールド31、冷却媒体用マニホールド33および酸化ガス用マニホールド35が並列している。また、長手方向であるY方向の中央部にY方向に沿って延在する燃料ガス流路37が複数形成されている。燃料ガス流路37のY方向側には、Y方向に沿って延びる燃料ガス排出路39および凸部41が形成されている。燃料ガス排出路39と燃料ガス用マニホールド9との間には、X方向に沿って細長く延びるガス排出孔43が第2セパレータ5に形成され、燃料ガス用マニホールド31の周縁部のうちY方向の中央側の周縁部には、波状部45が形成されている。この波状部45は、図1,6,7に示すように、X方向に行くに従って上下に起伏する波状に延びており、具体的には、湾曲した底部47と頂部49を有する。底部47は、第2セパレータ5の一般面51と同じ高さに配置され、頂部49は、第1セパレータ3の凸面25の裏側に当接している。また、波状部45はY方向に沿って延びており、延在長さはLに設定されている。つまり、延在長さLのいずれの断面も図7に示すように形成されている。そして、図6,7に示すように、第1セパレータ3の凸面25と第2セパレータ5の波状部45とによって閉断面状の燃料ガス流出通路(ガス通路、撥水性領域連続通路)53が画成されている。燃料ガス流出通路53(撥水性領域連続通路)は、セルユニットにおける燃料ガス用マニホールド9,17,31(マニホールド)に連通している。
As shown in FIGS. 1, 3, 4, and 5, the
次に、燃料ガスの流れを簡単に説明する。 Next, the flow of fuel gas will be briefly described.
図1に示す反応面7を通過した燃料ガスは、水蒸気を含んでおり、図6の矢印に示すように、燃料ガス排出路39に沿ってY方向に流れたのち、ガス排出孔43から上側(P方向)に流れ、燃料ガス流出通路53を通ったあとに、燃料ガス用マニホールド9に流れこむ。
The fuel gas that has passed through the
次いで、図7,8を用いて、燃料ガス流出通路53の内面における親水性領域および撥水性領域の第1態様を説明する。なお、図面において、撥水性領域55を太い実線で示し、親水性領域57を細い一点鎖線で示す。また、撥水性領域55は、セパレータの表面に撥水剤を塗布したり、プラズマ処理やUV処理を施したり、サンドブラスト処理を施す等の種々の方法で形成することができる。
Next, the first mode of the hydrophilic region and the water-repellent region on the inner surface of the fuel
図8に示すように、第1態様では、第2セパレータ5の波状部45の底部47の上面に撥水性領域55を形成している。この撥水性領域55は、断面がU字状に湾曲しており、図6に示す波状部45の延在長さLの全長に亘って形成されている。燃料ガス流出通路53の内面における他の部位は、親水性領域57に形成されている。
As shown in FIG. 8, in the first mode, the water-
図9に示すように、X方向に沿って閉断面の燃料ガス流出通路53が複数されている。第2態様では、これらの燃料ガス流出通路53についてX方向に沿って一つとびに第2セパレータ5の波状部45の上面全体に撥水性領域55を形成している。つまり、所定の閉断面の燃料ガス流出通路53においては、第2セパレータ5の波状部45の上面全体に撥水性領域55を形成し、第1セパレータ3の凸面25の裏側には親水性領域57が形成されている。そして、X方向において、前記所定の燃料ガス流出通路53に隣接する燃料ガス流出通路53の内面は、全面に親水性領域57を形成し、撥水性領域55を全く形成していない。なお、この撥水性領域55は、図6に示す波状部45の延在長さLの全長に亘って形成されている。
As shown in FIG. 9, a plurality of fuel
図10に示すように、第3態様では、第1セパレータ3の凸面25の裏側の全面に撥水性領域55が形成されている。そして、第2セパレータ5の波状部45の上面全体に親水性領域57を形成している。なお、この撥水性領域55は、図6に示す波状部45の延在長さLの全長に亘って形成されている。
As shown in FIG. 10, in the third mode, a
以下に、第1の実施形態による作用効果を説明する。 Below, the effect by 1st Embodiment is demonstrated.
(1)膜電極接合体1、膜電極接合体1の下側(表面側)に配設される第1セパレータ3、および、膜電極接合体1の上側(裏面側)に配設される第2セパレータ5からなるセルユニットが複数積層されて構成される燃料電池スタックである。
(1) The
これらの膜電極接合体1、第1セパレータ3および第2セパレータ5同士の間に形成されてガスが流通可能なガス通路の少なくともいずれかである燃料ガス流出通路53は、
燃料ガス流出通路53(ガス通路)の内面に撥水性領域55および親水性領域57の双方が形成されると共に、この撥水性領域55が燃料ガス流出通路53(ガス通路)の全長に亘って連続して繋がっている撥水性領域連続通路である。
A fuel
Both the water-
作動中の燃料電池におけるガス(特に燃料ガス)には残留水が混入しているため、残留水を残留したままにしておくとマニホールドからガスを排出する効率が低下する。 Residual water is mixed in the gas (especially fuel gas) in the operating fuel cell. Therefore, if the residual water remains, the efficiency of exhausting the gas from the manifold is lowered.
本実施形態では、撥水性領域55が燃料ガス流出通路53(ガス通路)の全長に亘って連続して繋がっている撥水性領域連続通路を燃料ガス流出通路53に設定されている。残留水は、撥水性領域55ではじかれて流通しやすくなっており、かつ、撥水性領域55が燃料ガス流出通路53の全長に亘って連続して繋がっている。従って、燃料ガスに混入した残留水を燃料ガス流出通路53から効率的に燃料ガス用マニホールド9,17,31(マニホールド)に排出することができる。
In the present embodiment, a water repellent region continuous passage in which the
(2)燃料ガス流出通路53(撥水性領域連続通路)は、セルユニットにおける燃料ガス用マニホールド9,17,31(マニホールド)に連通している。
(2) The fuel gas outflow passage 53 (water repellent region continuous passage) communicates with the
具体的には、燃料ガス流出通路53の出口が燃料ガス用マニホールド9,17,31に続くように形成されている。従って、燃料ガス流出通路53の出口から流出した残留水を効率的に燃料ガス用マニホールド9,17,31(マニホールド)に排出することができる。
Specifically, the outlet of the fuel
(3)燃料ガス流出通路53(撥水性領域連続通路)において、撥水性領域は下側に配置され、親水性領域は上側に配置されている。 (3) In the fuel gas outflow passage 53 (water repellent region continuous passage), the water repellent region is disposed on the lower side and the hydrophilic region is disposed on the upper side.
残留水は重力によって下側(垂直下方側)に溜まるため、撥水性領域を下側に配置することにより、残留水をさらに効率的に燃料ガス用マニホールド9,17,31(マニホールド)に排出しやすくすることができる。
Residual water accumulates on the lower side (vertically below) due to gravity, so by disposing the water-repellent region on the lower side, the residual water is more efficiently discharged to the
(4)燃料ガス流出通路53(撥水性領域連続通路)は、複数の閉断面構造に形成されている。 (4) The fuel gas outflow passage 53 (water repellent region continuous passage) is formed in a plurality of closed cross-sectional structures.
燃料ガス流出通路53が複数の閉断面構造からなるため、所定の燃料ガス流出通路53からの残留水の排出性が低下しても、別の燃料ガス流出通路53から残留水を排出することができる。
Since the fuel
[第2の実施形態]
次に、本発明の第2の実施形態について説明するが、第1の実施形態と同一構成の部位には、同一符号を付けて説明を省略する。
[Second Embodiment]
Next, a second embodiment of the present invention will be described. The same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.
前述した第1の実施形態では、図7で説明したように、第2セパレータ5の波状部45の頂部49は、第1セパレータ3の凸面25の裏側に当接することにより、X方向に沿って閉断面の燃料ガス流出通路53が複数形成されている。
In the first embodiment described above, as described with reference to FIG. 7, the
しかし、図11に示すように、第2の実施形態では、第2セパレータ105の波状部145の高さが低く形成され、波状部145の頂部149は、第1セパレータ3の凸面25の裏側まで到達していない。底部147の底面は第2セパレータ105の一般面と同じ高さに設定されている。そして、図11に示すように、第1セパレータ3の凸面25と第2セパレータ105の波状部145とによって、一つの閉断面状の燃料ガス流出通路153が画成されている。また、波状部145はY方向に沿って延びており、延在長さはLに設定されている。つまり、延在長さLのいずれの断面も図11に示すように形成されている。
However, as shown in FIG. 11, in the second embodiment, the height of the
図12に示すように、第2の実施形態では、第2セパレータ105の波状部145の上面全体に撥水性領域55を形成している。第1セパレータ3の凸面25の裏側は、全体が親水性領域57に形成されている。この撥水性領域55は、波状部145の延在長さLの全長に亘って形成されている。
As shown in FIG. 12, in the second embodiment, the
以下に、第2の実施形態による作用効果を説明する。 Below, the effect by 2nd Embodiment is demonstrated.
(1)波状部145の頂部149の高さが第1実施形態における波状部45の頂部49よりも低いため、残留水の残存量が少ない場合でも底部147の底面に沿って効率的に残留水を排出することができる。
(1) Since the height of the
[第3の実施形態]
次に、本発明の第3の実施形態について説明するが、第1および第2の実施形態と同一構成の部位には、同一符号を付けて説明を省略する。
[Third embodiment]
Next, a third embodiment of the present invention will be described. Parts having the same configurations as those of the first and second embodiments are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.
前述した第1の実施形態では、図7で説明したように、第2セパレータ5の波状部45の頂部49は、第1セパレータ3の凸面25の裏側に当接することにより、X方向に沿って閉断面の燃料ガス流出通路53が複数形成されている。
In the first embodiment described above, as described with reference to FIG. 7, the
しかし、図13に示すように、第3の実施形態では、第2セパレータ205では平坦な底面245が形成されている。そして、図13に示すように、第1セパレータ3の凸面25と第2セパレータ205の底面とによって、一つの閉断面状の燃料ガス流出通路253が画成されている。また、底面はY方向に沿って延びており、延在長さはLに設定されている。つまり、延在長さLのいずれの断面も図13に示すように形成されている。
However, as shown in FIG. 13, in the third embodiment, a
図14に示すように、第1態様では、第2セパレータ205の底面245にX方向に所定間隔をおいて撥水性領域55と親水性領域57とが交互に配置されている。第1セパレータの凸面の裏側は、全体が撥水性領域55に形成されている。この撥水性領域55は、波状部の延在長さLの全長に亘って形成されている。
As shown in FIG. 14, in the first mode, the water-
図15に示すように、第2態様では、第2セパレータ205の底面245にX方向に沿って所定間隔をおいて撥水性領域55と親水性領域57とが交互に配置されている。第1セパレータ3の凸面25の裏側は、全体が親水性領域57に形成されている。この撥水性領域55は、延在長さLの全長に亘って形成されている。
As shown in FIG. 15, in the second mode, the water-
以下に、第3の実施形態による作用効果を説明する。 Below, the effect by 3rd Embodiment is demonstrated.
(1)第2セパレータ205の底面245にX方向に所定間隔をおいて撥水性領域55と親水性領域57とが交互に配置されている。このため、燃料ガス流出通路253の延在方向に沿って効率的に残留水を流通させることができる。
(1) The water-
[第4の実施形態]
次に、図16,17を用いて、本発明の第4の実施形態について説明するが、第1〜第3の実施形態と同一構成の部位には、同一符号を付けて説明を省略する。
[Fourth Embodiment]
Next, a fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 16 and 17, and parts having the same configurations as those of the first to third embodiments are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.
前述した第1〜第3の実施形態では、第1セパレータ3および第2セパレータ5がそれぞれ水平方向に沿って延びており、第1セパレータ3と第2セパレータ5とが上下方向に積載されている。
In the first to third embodiments described above, the
しかし、第4の実施形態では、図16,17に示すように、第1セパレータ3および第2セパレータ5がそれぞれ上下方向に沿って延びており、第1セパレータ3と第2セパレータ5とが水平方向に配列されている。この場合、第2セパレータ5の波状部45は、上下方向に行くに従って水平方向に起伏する波状に延びており、波状部45は複数形成されている。そして、図16に示す波状部45の上下方向の中央部よりも下側の波状部45のみに撥水性領域55を形成している。即ち、上下方向の中央部よりも下側の波状部45の内面のみに撥水性領域55を形成し、この部位以外は全て親水性領域57に形成する。
However, in the fourth embodiment, as shown in FIGS. 16 and 17, the
以下に、第4の実施形態による作用効果を説明する。 Below, the effect by 4th Embodiment is demonstrated.
(1)本実施形態によれば、第1セパレータ3、第2セパレータ5および膜電極接合体1が横方向に並列して燃料電池スタックが形成された場合でも、効率的に残留水を排出させることができる。
(1) According to the present embodiment, even when the
ところで、本発明の燃料電池スタックは前述の実施形態に例をとって説明したが、この実施形態に限ることなく本発明の要旨を逸脱しない範囲で他の実施形態を各種採用することができる。 By the way, although the fuel cell stack of the present invention has been described by taking the above-described embodiment as an example, the present invention is not limited to this embodiment, and various other embodiments can be adopted without departing from the gist of the present invention.
例えば、前述した実施形態では、撥水性領域連続通路を燃料ガス流出通路53,153,253としたが、別のガス通路を撥水性領域連続通路に設定してもよい。
For example, in the above-described embodiment, the water repellent region continuous passage is the fuel
1 膜電極接合体
3 第1セパレータ
5 第2セパレータ
53 燃料ガス流出通路(ガス通路、撥水性領域連続通路)
9,17,31 燃料ガス用マニホールド(マニホールド)
DESCRIPTION OF
9, 17, 31 Fuel gas manifold (manifold)
Claims (4)
これらの前記膜電極接合体、第1セパレータおよび第2セパレータ同士の間に形成されてガスが流通可能なガス通路の少なくともいずれかは、
ガス通路の内面に撥水性領域および親水性領域の双方が形成されると共に、この撥水性領域がガス通路の全長に亘って連続して繋がっている撥水性領域連続通路であることを特徴とする燃料電池スタック。 A plurality of cell units comprising a membrane electrode assembly, a first separator disposed on the front surface side of the membrane electrode assembly, and a second separator disposed on the back surface side of the membrane electrode assembly are laminated. A fuel cell stack,
At least one of these membrane electrode assemblies, a gas passage formed between the first separator and the second separator, through which gas can flow,
Both the water-repellent region and the hydrophilic region are formed on the inner surface of the gas passage, and the water-repellent region is a water-repellent region continuous passage continuously connected over the entire length of the gas passage. Fuel cell stack.
前記撥水性領域連続通路は、前記セルユニットにおけるマニホールドに連通していることを特徴とする燃料電池スタック。 The fuel cell stack according to claim 1, wherein
The water-repellent region continuous passage communicates with a manifold in the cell unit.
前記撥水性領域連続通路において、前記撥水性領域は下側に配置され、親水性領域は上側に配置されていることを特徴とする燃料電池スタック。 The fuel cell stack according to claim 1 or 2,
In the water repellent region continuous passage, the water repellent region is disposed on the lower side, and the hydrophilic region is disposed on the upper side.
前記撥水性領域連続通路は、複数の閉断面構造に形成されていることを特徴とする燃料電池スタック。
The fuel cell stack according to any one of claims 1 to 3,
The water-repellent region continuous passage is formed in a plurality of closed cross-sectional structures.
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