JP2019121431A - 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.
燃料電池スタックは、複数の燃料電池セルを積層して構成され、それぞれの燃料電池セルは、膜電極接合体をカソードセパレータとアノードセパレータで挟持する。セパレータによる膜電極接合体の挟持に当たっては、膜電極接合体を枠状の樹脂シートで取り囲んだ上で、膜電極接合体を樹脂シートごとカソード・アノードの両セパレータで挟持する手法が提案されている(例えば特許文献1)。 The fuel cell stack is configured by stacking a plurality of fuel cells, and each fuel cell sandwiches the membrane electrode assembly between the cathode separator and the anode separator. In sandwiching a membrane electrode assembly with a separator, a method has been proposed in which the membrane electrode assembly is sandwiched between a cathode sheet and an anode sheet separator together with a resin sheet after the membrane electrode assembly is surrounded by a frame-shaped resin sheet. (For example, patent document 1).
燃料電池スタックは、燃料電池セルの積層方向が水平な水平姿勢となるよう設置されるが、常時、水平姿勢にあるとは限らない。例えば、車両等の移動体に搭載された燃料電池では、傾斜道路での車両の走行過程や、傾斜した駐車路面での駐車過程において、セル積層方向の一端側、例えば燃料電池スタック前端が下で、セル積層方向の他端側の燃料電池スタック後端が上となるように傾斜する場合がある。こうした傾斜姿勢では、膜電極接合体の外縁領域で燃料電池スタックをセル積層方向に貫く燃料ガス・酸化ガスの給排用のマニホールドも傾斜するため、マニホールドに達した水、具体的には生成水や電解質膜を透過した水(詳しくは、水蒸気)、或いはガス混入水がマニホールドを伝わって傾斜下方側に貯まってしまうことが有り得る。こうしてマニホールドにおいて水が貯まると、水が貯まった傾斜下方側の燃料電池セルにおけるマニホールドを介したガス給排が阻害され、燃料電池セルの発電性能が維持できなくなる事態が起き得る。燃料電池スタック後端が下で燃料電池前端が上となるように傾斜する場合も同様である。こうしたことから、燃料電池スタックが傾斜した状況下における燃料電池セルの発電性能の維持を図ることが要請されるに到った。 The fuel cell stack is installed so that the stacking direction of the fuel cells is in a horizontal posture, but the fuel cell stack is not always in the horizontal posture. For example, in a fuel cell mounted on a moving object such as a vehicle, one end side in the cell stacking direction, for example, the front end of the fuel cell stack is lower in the traveling process of the vehicle on an inclined road or the parking process on an inclined parking road. The fuel cell stack may be inclined such that the rear end of the fuel cell stack on the other end side in the cell stacking direction is up. In such an inclined posture, since the manifold for supplying / discharging fuel gas / oxidizing gas which penetrates the fuel cell stack in the cell stacking direction in the outer edge region of the membrane electrode assembly is also inclined, water reaching the manifold, specifically, generated water Also, water (specifically, water vapor) that has permeated through the electrolyte membrane or gas-containing water may be stored along the manifold at the lower side of the slope. Thus, if water is stored in the manifold, gas supply and discharge through the manifold in the fuel cell on the lower side of the slope where water is stored may be inhibited, and the power generation performance of the fuel cell may not be maintained. The same applies to the case where the fuel cell stack is inclined so that the rear end of the fuel cell stack is at the bottom and the front end of the fuel cell is at the top. For these reasons, it has been required to maintain the power generation performance of the fuel cell under the condition where the fuel cell stack is inclined.
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。 The present invention has been made to solve at least a part of the above-mentioned problems, and can be realized as the following modes.
(1)本発明の一形態によれば、燃料電池スタックが提供される。この燃料電池スタックは、枠状の樹脂シートで取り囲んだ膜電極接合体を前記樹脂シートごと前記膜電極接合体の外縁領域でカソード側とアノード側の両セパレータで挟持した燃料電池セルを複数積層してなる燃料電池スタックであって、前記両セパレータの前記外縁領域に設けられたセパレータ側マニホールド孔と、前記樹脂シートの前記外縁領域に設けられたシート側マニホールド孔とが、前記燃料電池セルの積層によりガス用マニホールドを形成し、該ガス用マニホールドの底辺の少なくとも一部領域において、前記樹脂シートの先端が前記両セパレータの先端より前記ガス用マニホールドの内側に位置する。そして、前記両セパレータは、前記ガス用マニホールドの前記底辺の側で前記樹脂シートの少なくとも一方のシート面に、間隙凹所を形成し、前記樹脂シートは、前記間隙凹所から前記膜電極接合体へのガス給排用のガス給排路を有し、前記間隙凹所を取り囲む前記両セパレータと前記樹脂シートの少なくとも一方は、前記間隙凹所の取り囲み領域において親水性を有する。 (1) According to one aspect of the present invention, a fuel cell stack is provided. In this fuel cell stack, a plurality of fuel cells are formed by sandwiching a membrane electrode assembly surrounded by a frame-shaped resin sheet together with the resin sheet between the cathode side and anode side separators in the outer edge region of the membrane electrode assembly. Fuel cell stack, wherein a separator side manifold hole provided in the outer edge area of the two separators and a sheet side manifold hole provided in the outer edge area of the resin sheet are stacked layers of the fuel cells Thus, the gas manifold is formed, and in at least a partial region of the bottom side of the gas manifold, the front end of the resin sheet is positioned inside the gas manifold from the front ends of the two separators. Then, both separators form a gap recess in at least one sheet surface of the resin sheet on the bottom side of the gas manifold, and the resin sheet is formed from the gap recess into the membrane electrode assembly And at least one of the separators and the resin sheet surrounding the gap recess has hydrophilicity in the surrounding area of the gap recess.
この形態の燃料電池スタックでは、シート側マニホールド孔とセパレータ側マニホールド孔で形成されたガス用マニホールドに仮に水が到達しても、この水は、ガス用マニホールドの底辺の少なくとも一部領域で樹脂シートのシート面における間隙凹所に保水され、この保水状態は、ガス用マニホールドの内側に先端が位置する樹脂シートで保たれる。こうして保水された水は、樹脂シートのガス給排路を介して膜電極接合体に導かれる。そして、この形態の燃料電池スタックでは、積層したそれぞれの燃料電池セルにおいて上記した保水が行われるので、燃料電池セルの積層方向に対して垂直なセル高さ方向に対して燃料電池スタック前端が下で燃料電池スタック後端が上となるように傾斜しても、燃料電池スタック前端の側に水が過多に貯まってしまうような事態が起きることを抑制できる。燃料電池スタック後端が下で燃料電池スタック前端が上となるように傾斜する場合も同様である。よって、この形態の燃料電池スタックによれば、燃料電池スタックが傾斜した状況下においても燃料電池セルの発電性能の維持を図ることが可能となる。 In the fuel cell stack of this embodiment, even if water reaches the gas manifold formed by the sheet side manifold hole and the separator side manifold hole, this water is a resin sheet in at least a partial region of the bottom of the gas manifold. The water is retained in the gap recess in the sheet surface of the sheet, and this water retention state is maintained by the resin sheet whose tip is located inside the gas manifold. The water thus retained is introduced to the membrane electrode assembly through the gas supply / discharge passage of the resin sheet. In the fuel cell stack of this embodiment, the above-described water retention is performed in each of the stacked fuel cells, so the front end of the fuel cell stack is lower in the cell height direction perpendicular to the fuel cell stacking direction. Even if the fuel cell stack is inclined so that the rear end of the fuel cell stack is at the top, it is possible to suppress the occurrence of a situation where excessive water is accumulated on the side of the front end of the fuel cell stack. The same applies to the case where the fuel cell stack is inclined so that the rear end of the fuel cell stack is below and the front end of the fuel cell stack is above. Therefore, according to the fuel cell stack of this aspect, it is possible to maintain the power generation performance of the fuel cell even under a situation where the fuel cell stack is inclined.
なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能である。例えば、燃料電池スタックの製造方法や燃料電池セル、或いはその製造方法等の形態で実現することができる。 The present invention can be realized in various aspects. For example, it can be realized in the form of a method of manufacturing a fuel cell stack, a fuel cell, or a method of manufacturing the same.
図1は、本発明の実施形態に係る燃料電池セル110から構成される燃料電池100の概略構成を示す説明図である。燃料電池100は、燃料電池セル110を複数積層した燃料電池スタックを、一対のエンドプレート170F,170Eで挟持して構成される。燃料電池100は、その一端側のエンドプレート170Fと燃料電池セル110との間に、絶縁板165Fを介在させてターミナルプレート160Fを有する。以下、エンドプレート170Fが配設された燃料電池100の一端側を、便宜上、前端側と称し、図における紙面右側の他端側を後端側と称する。
FIG. 1 is an explanatory view showing a schematic configuration of a
燃料電池100は、後端側のエンドプレート170Eと燃料電池セル110との間にも、同様に、後端側の絶縁板165Eを介在させて後端側のターミナルプレート160Eを有する。燃料電池セル110と、ターミナルプレート160F,160Eと、絶縁板165F,165Eおよびエンドプレート170F,170Eは、それぞれ、略矩形状の外形を有するプレート構造を有しており、長辺がx軸方向(水平方向)で短辺がy軸方向(垂直方向、鉛直方向)に沿うように配置されている。燃料電池セル110は、前端側と後端側のエンドプレート間にz軸方向に沿って積層され、燃料電池100は、図示するように、燃料電池セル110の積層方向(z軸方向)が水平方向に重なる水平姿勢となるよう、車両等に設置される。
Similarly, between the
燃料電池100は、後端側のエンドプレート170Eの側に、酸素含有の酸化ガスであるエアーの供給用マニホールド116と排出用マニホールド117を備える。また、それぞれの燃料電池セル110は、供給用マニホールド116から送り込まれたエアーをセル内と隣接セルに導くと共に、セル内を通過した余剰のエアーを排出用マニホールド117に排出する。つまり、エアーは、エンドプレート170Eの側から送り込まれて各セルに供給された後、エンドプレート170Fの側の燃料電池セル110からリターンされて、余剰分がエンドプレート170Eの排出用マニホールド117から生成水と共に排出される。
The
燃料電池100は、前端側のエンドプレート170Fの側に、燃料ガスである水素ガスの供給用マニホールド118と排出用マニホールド119とを備える。そして、それぞれの燃料電池セル110は、供給用マニホールド118から送り込まれた水素ガスをセル内と隣接セルに導くと共に、セル内を通過した余剰の水素ガスを排出用マニホールド119に排出する。よって、水素ガスは、エンドプレート170Fの側から送り込まれ、エンドプレート170Eの側の燃料電池100からリターンされて、余剰分がエンドプレート170Fの排出用マニホールド119から排出される。エンドプレート170F或いはエンドプレート170Eの一方側にのみ給排用マニホールドを設け、反応ガス(水素ガス、エアー)および冷却水を例えばエンドプレート170Fからそれぞれの燃料電池セル110に対して供給しつつ、それぞれの燃料電池セル110からの排出ガスおよび排出水を、エンドプレート170E或いはエンドプレート170Fに排出させるマニホールド構成としてもよい。上記した供給用マニホールド116等は、セル外のマニホールドであり、後述のセル内のガス用マニホールド30と連通する。なお、燃料電池100は、冷却水の給排マニホールドも有するが、この冷却水給排マニホールドは本発明の要旨と直接関係しないので、図1においては、その図示は省略されている。
The
前端側のターミナルプレート160Fおよび後端側のターミナルプレート160Eは、各燃料電池セル110の発電電力の集電板であり、図示しない集電端子から集電した電力を外部へ出力する。
The
図2は、本発明の一実施形態における燃料電池セル110を分解して示す説明図である。燃料電池セル110は、水素と酸素の供給を受けて発電する固体高分子形の燃料電池セルである。燃料電池セル110は、発電体10と、樹脂シート20と、カソード側のセパレータ40aと、アノード側のセパレータ40bとを備える。
FIG. 2 is an explanatory view showing the
発電体10は、電解質膜(図示せず)と、電解質膜の両面にそれぞれ隣接して形成された触媒層(図示せず)と、ガス拡散層(図示せず)とを備える。電解質膜は湿潤状態において良好なプロトン伝導性を示す固体高分子薄膜である。電解質膜は、例えば、フッ素系樹脂のイオン交換膜によって構成される。触媒層は水素と酸素の化学反応を促進する触媒と、触媒を担持したカーボン粒子とを備える。そして、電解質膜の両膜面に触媒層を形成することで、膜電極接合体(MEA:Membrane Electrode Assembly)が得られる。
The
ガス拡散層は、それぞれ触媒層側の面に隣接して設けられている。ガス拡散層は、電極反応に用いられる反応ガスを電解質膜の面方向に沿って拡散させる層であり、多孔質の拡散層用基材により構成されている。拡散層用基材としては、炭素繊維基材や黒鉛繊維基材、発泡金属など、導電性及びガス拡散性を有する多孔質の基材が用いられる。この電解質膜、触媒層、ガス拡散層を合わせて、膜電極ガス拡散層接合体(MEGA:Membrane Electrode Gass−diffusion−layer Assembly)ともいう。 The gas diffusion layers are respectively provided adjacent to the surface on the catalyst layer side. The gas diffusion layer is a layer for diffusing the reaction gas used for the electrode reaction along the surface direction of the electrolyte membrane, and is made of a porous diffusion layer base material. As a base material for the diffusion layer, a porous base material having conductivity and gas diffusivity, such as a carbon fiber base material, a graphite fiber base material, a foam metal, etc., is used. The electrolyte membrane, the catalyst layer, and the gas diffusion layer are collectively referred to as a membrane electrode gas diffusion layer assembly (MEGA: Membrane Electrode Gas-diffusion-layer Assembly).
樹脂シート20は、膜電極接合体を含む発電体10の周囲全域を取り囲む枠状の樹脂部材である。樹脂部材として、本実施形態では、例えばポリエチレンテレフタレート(PET)が用いられる。ただし、樹脂部材として、ポリプロピレン、ポリエチレン等の他の種々の熱可塑性樹脂部材も利用可能である。樹脂シート20は、中央域に発電体10を取り囲んで収納する開口部21を備え、この開口部21の両側、詳しくはx軸方向に沿った開口部21の両側にシート側マニホールド孔30aと冷却マニホールド孔31とを有する。シート側マニホールド孔30aは、y軸方向に上下に並んで形成され、それぞれのシート側マニホールド孔30aは、反応ガス(水素ガス、エアー)についての既述した供給用マニホールド116、排出用マニホールド117、供給用マニホールド118、排出用マニホールド119の1つと重なり、樹脂シート20を貫く方向(z軸方向)に反応ガスを流す。冷却マニホールド孔31は、図1において図示を省略した冷却水の給排マニホールドと重なり、樹脂シート20を貫く方向(z軸方向)に冷却水を流す。
The
樹脂シート20は、シート側マニホールド孔30aと開口部21との間に複数のガス給排路50を備えている。ガス給排路50は、x軸方向に沿った直線経路の長径のシート貫通孔として形成され、シート側マニホールド孔30aから発電体10の膜電極接合体へのガス給排用のガス通過路である。このガス給排路50を、凹溝状の長径のガス給排路としてもよい。この場合、ガス給排路50をシート貫通孔として形成することで、凹溝状のガス給排路とするよりも、樹脂シート20の厚み、延いては、燃料電池セル110の厚みを薄くすることができる。
The
また、樹脂シート20は、シート側マニホールド孔30aが形成された領域、即ち発電体10の外縁領域のシート表面に親水性を有する。つまり、樹脂シート20は、発電体10の外縁領域において、既述した樹脂部材の表面にプラズマ照射や化学蒸着、紫外線照射、或いはエッチングといった親水性付与処理を受け、少なくとも外縁領域のシート表面に親水性を有する。なお、樹脂シート20の製造過程において、樹脂シート20のシート表面全域に親水性付与処理を施してもよい。この他、樹脂シート20自体を、親水性を有する樹脂部材を用いて型成形してもよい。
In addition, the
一対のセパレータ40a、40bは、膜電極接合体を含む発電体10を樹脂シート20ごと発電体10の外縁領域で挟持するように樹脂シート20に積層されている。セパレータ40a、40bの両セパレータは、例えば、ステンレス鋼やチタン、あるいはそれらの合金からなる金属板をプレス成型することによって形成されている。よって、セパレータ40a、40bは、その表面に親水性を備える。
The pair of
本実施形態において、セパレータ40aは、カソード側のセパレータであり、セパレータ40bは、アノード側のセパレータである。そして、セパレータ40a、40bの両セパレータは、発電体10の外縁領域に、セパレータ側マニホールド孔30bと冷却マニホールド孔31とを有する。冷却マニホールド孔31は、樹脂シート20の冷却マニホールド孔31と重なり、セパレータ40a、40bの両セパレータを貫く方向(z軸方向)に冷却水を流す。なお、セパレータ40a、40bは、重なり合った燃料電池セル110の間においてセル間冷却流路を形成するが、セル間冷却流路は本発明の要旨と直接関係しないので、図2においては、その図示は省略されている。
In the present embodiment, the
セパレータ側マニホールド孔30bは、発電体10の膜電極接合体への反応ガス(水素ガス、エアー)の給排に用いられ、樹脂シート20のシート側マニホールド孔30aにそれぞれ重なる。本実施形態では、シート側マニホールド孔30aの開口面積は、セパレータ側マニホールド孔30bの開口面積よりも小さい。本実施形態では、以下、シート側マニホールド孔30aとセパレータ側マニホールド孔30bとが重なった形成されたマニホールドをガス用マニホールド30と称する。
The separator side manifold holes 30 b are used for supplying and discharging the reaction gas (hydrogen gas, air) to the membrane electrode assembly of the
セパレータ40a、40bの両セパレータは、反応ガス(水素ガス、エアー)のイン側のセパレータ側マニホールド孔30bからアウト側のセパレータ側マニホールド孔30bに掛けて流路41を備える。この流路41は、セパレータ40a、40bの凹凸により形成され、イン側のセパレータ側マニホールド孔30bの近傍において分配流路42から分岐した複数筋の流路構成を有する。そして、流路41は、アウト側のセパレータ側マニホールド孔30bの近傍において合流して合流流路43をなす。分配流路42は、イン側のセパレータ側マニホールド孔30bの近傍において樹脂シート20のガス給排路50と重なって連通し、合流流路43は、アウト側のセパレータ側マニホールド孔30bの近傍において樹脂シート20のガス給排路50と重なって連通する。これにより、イン側のセパレータ側マニホールド孔30bとこれに重なる樹脂シート20のシート側マニホールド孔30aに流れ込んだ反応ガス(水素ガス、エアー)は、樹脂シート20のガス給排路50から分配流路42を通過して複数筋の流路41を流れ、発電体10に供給される。流路41を通過した反応ガス(水素ガス、エアー)は、合流流路43からガス給排路50を通過して、アウト側のセパレータ側マニホールド孔30bとこれに重なる樹脂シート20のシート側マニホールド孔30aから排出される。
Both separators of the
図3は、燃料電池セル110におけるエアーアウト側のガス用マニホールド30の要部を拡大して示す説明図である。この要部は、図2に示すセパレータ40a、40bのセパレータ側マニホールド孔30bと樹脂シート20のシート側マニホールド孔30aについて、図中に符合Aを付して示した領域である。図4は、燃料電池セル110を複数積層した状況においてガス用マニホールド30を図3の4−4線に沿って断面視して示す説明図である。図5は、燃料電池セル110を複数積層した状況においてガス用マニホールド30を図3の5−5線に沿って断面視して示す説明図である。図6は、燃料電池セル110を複数積層した状況においてガス用マニホールド30を図3の6−6線に沿って断面視して示す説明図である。
FIG. 3 is an enlarged view of the main part of the
図3に示すように、樹脂シート20のシート側マニホールド孔30aとセパレータ40a、40bのセパレータ側マニホールド孔30bとは重なってガス用マニホールド30を構成し、マニホールド周囲においては、紙面上面側から、カソード側のセパレータ40aと樹脂シート20とアノード側のセパレータ40bとが積層状態にある。そして、樹脂シート20のシート側マニホールド孔30aは、既述したように、その開口面積がセパレータ側マニホールド孔30bの開口面積よりも小さいことから、ガス用マニホールド30の底辺において、樹脂シート20の先端がアノード側・カソード側の両セパレータの先端よりガス用マニホールド30の内側に位置する。つまり、シート側マニホールド孔30aの底辺壁面30atは、図4に示すように、セル積層方向に対して垂直なセル高さ方向(y軸方向)にセパレータ側マニホールド孔30bの底辺壁面30btより突出して高くなる。また、シート側マニホールド孔30aの側方壁面30asは、図5と図6に示すように、水平方向(x軸方向)に沿ってセパレータ側マニホールド孔30bの側方壁面30bsより突出する。
As shown in FIG. 3, the sheet-
セパレータ40a、40bは、セパレータ側マニホールド孔30bの孔周壁回りにおいて樹脂シート20から遠ざかるよう屈曲して、図4に示すように、シート側マニホールド孔30aの底辺壁面30atの側および側方壁面30asの側で樹脂シート20の表裏シート面に間隙凹所23を形成する。この間隙凹所23は、凹所底部側が傾斜した凹所であって、単体の燃料電池セル110では、セパレータ40a、40bの底辺壁面30bt或いは側方壁面30bsまでの凹所となる。その一方、燃料電池セル110が積層された状態においては、樹脂シート20の底辺壁面30at或いは側方壁面30asまでの凹所として形成される。本実施形態の燃料電池セル110は、間隙凹所23での液水の保水を図るべく、間隙凹所23を、約1.2mmとし、樹脂シート20の突出を約0.8mmの深さとすることで、燃料電池セル110が積層された状態において、約2.0mmの保水空間を間隙凹所23として設けることができる。この間隙凹所23を形成するセパレータ40a、40bが表面に親水性を有すること、およびシート面に間隙凹所23を有する樹脂シート20が親水性付与処理を経て親水性を備えることから、燃料電池セル110は、間隙凹所23の取り囲み領域において、親水性を発揮することになる。なお、上記した間隙凹所23の深さ寸法は、セル間ピッチやガス用マニホールド30の大きさ、或いは反応ガスの最大ガス給排量に応じて適宜設定すればよく、上記の寸法数値に限るわけではない。
The
樹脂シート20が有するガス給排路50は、シート側マニホールド孔30aの近傍のガス導入部51を残してセパレータ40a、40bと重なる。このセパレータ40a、40bのうち、カソード側のセパレータ40aは、図2に示すように、セパレータ側マニホールド孔30bの近傍に合流流路43を有し、この合流流路43は、図6に示すように、ガス給排路50と重なる。よって、ガス給排路50は、カソード側のセパレータ40aと樹脂シート20との間において、図3に示すエアーアウト側のガス用マニホールド30では、燃料電池セル110におけるエアー排出に関与する。これに対して、アノード側のセパレータ40bは、セパレータ側マニホールド孔30bの近傍に合流流路43を有しないので、ガス給排路50は、ガス給排に関与しない。こうしたガス給排路50のガス給排への関与は、エアーについてのイン側のガス用マニホールド30、および水素ガスについてのイン・アウト側のガス用マニホールド30でも同様である。そして、ガス給排路50のガス給排の関与によって、イン側のガス用マニホールド30に流れ込んだ水素ガスは、アノード側のセパレータ40bが有する流路41を通過して発電体10の膜電極接合体に供給され、アウト側のガス用マニホールド30から排出される。また、イン側のガス用マニホールド30流れ込んだエアーは、カソード側のセパレータ40aが有する流路41を通過して発電体10の膜電極接合体に供給され、アウト側のガス用マニホールド30から排出される。本実施形態の樹脂シート20は、既述したようにガス給排に関与するガス給排路50を、図3に示すように、セパレータ側マニホールド孔30bの底辺壁面30btよりもセル高さ方向(y軸方向)において低い位置まで備えている。
The gas supply /
隣り合う燃料電池セル110の間において、一方の燃料電池セル110のセパレータ40aと、他方の燃料電池セル110のセパレータ40bとの間には、ガス用マニホールド30を取り囲むガスケット60が設けられている。このガスケット60は、セパレータ40aに接着され、燃料電池100の積層により、セル間においてガス用マニホールド30をシールする。ガスケット60は、例えばシリコーンゴムにより形成される。隣り合う燃料電池セル110の間には冷却マニホールド孔31から冷却水が流通する冷却流路が形成されており、この冷却流路にあっても、ガスケット60によってシールされている。
A
以上説明した本実施形態の燃料電池セル110は、ガス用マニホールド30を構成するよう重なり合うシート側マニホールド孔30aとセパレータ側マニホールド孔30bに仮に水Wが到達しても、この水Wを、ガス用マニホールド30の底辺において、樹脂シート20の表裏シート面の間隙凹所23に保水する。そして、この保水状態を、ガス用マニホールド30の底辺において内側に先端が位置する樹脂シート20で保つ。これに加え、本実施形態の燃料電池セル110は、間隙凹所23を取り囲む樹脂シート20とセパレータ40a、40bとを親水性とするので、間隙凹所23における水Wの保水状態をより確実に保持する。その上で、本実施形態の燃料電池セル110は、間隙凹所23に保水した水Wを、図3に示す鉛直方向下方側(−y軸方向)のガス給排路50を経て、図6に示す合流流路43および流路41から発電体10の膜電極接合体に導く。燃料電池セル110を積層した燃料電池100は、それぞれの燃料電池セル110において水Wの個別的な保水と保水状態の保持を行うので、以下に説明する効果を奏する。
The
図7は、燃料電池100の燃料電池前端が鉛直下方となるように燃料電池100が傾斜した状況を模式的に示す説明図である。図示する燃料電池100の傾斜姿勢は、燃料電池100の搭載車両が傾斜道路を走行していたり、傾斜路面で駐車している過程に起きえ、燃料電池100がこうした傾斜姿勢となると、ガス用マニホールド30も傾斜する。こうした傾斜姿勢においても、本実施形態の燃料電池セル110で構成される燃料電池100は、それぞれの燃料電池セル110での間隙凹所23での水Wの保水と、間隙凹所23を取り囲む樹脂シート20とセパレータ40a、40bを親水性としたことによる間隙凹所23における水Wの保水状態の保持とを図ることから、図7に示すように燃料電池100が傾斜しても、燃料電池前端の側に水Wが傾斜に沿って流れ落ちて貯まってしまうような事態が起きることを抑制できる。この結果、本実施形態の燃料電池セル110によれば、燃料電池100が図7に示すように傾斜した状況下においても傾斜下方側の燃料電池セル110におけるガス用マニホールド30を介したガス給排を阻害しないので、燃料電池セル110の発電性能の維持を図ることができる。
FIG. 7 is an explanatory view schematically showing a state where the
本実施形態の燃料電池セル110は、ガス給排路50を、図3に示すように、セル高さ方向(y軸方向)においてセパレータ側マニホールド孔30bの底辺壁面30btよりも低い位置に備えるので、間隙凹所23に保水された水Wを、確実にガス給排路50を経て発電体10に導くことができる。
The
本実施形態の燃料電池セル110は、図5と図6に示すように、間隙凹所23を、ガス用マニホールド30における側方壁面30asにも有する。よって、この側方壁面30asにおける間隙凹所23でも、樹脂シート20やセパレータ40a、40bの親水性により、および、狭小なセル間で働く毛管力により、水Wを保水できる。よって、この点からも、本実施形態の燃料電池セル110によれば、燃料電池100が既述したように傾斜した際の傾斜下方側の燃料電池セル110におけるガス用マニホールド30を介したガス給排を阻害しないので、燃料電池セル110の発電性能の維持に寄与できる。なお、底辺壁面30atに対向したシート側マニホールド孔30aの天井壁面においても同様である。
As shown in FIGS. 5 and 6, the
本実施形態の燃料電池セル110は、間隙凹所23に保水した水Wをガス給排路50を経て発電体10の膜電極接合体に導くものの、その量は、間隙凹所23に保水された少量の水量に限られる。よって、本実施形態の燃料電池セル110によれば、間隙凹所23に保水した水Wによる発電体10の加湿を過多とすることはなく、燃料電池セル110の発電性能の不用意な低下を来さない。
Although the
図8は、第1変形例の燃料電池セル110Aを複数積層した状況においてガス用マニホールド30を図4相当に断面視して示す説明図である。この第1変形例の燃料電池セル110Aは、単一厚みの樹脂シート20に代えて厚みに凹凸を持つ樹脂シート20を用いて、燃料電池セル110Aが積層された状態において間隙凹所23を樹脂シート20とセパレータ40a、40bで形成する点に特徴がある。この第1変形例の燃料電池セル110Aによっても、それぞれの燃料電池セル110Aでの間隙凹所23での水Wの保水と、間隙凹所23を取り囲む樹脂シート20とセパレータ40a、40bを親水性としたことによる間隙凹所23における水Wの保水状態の保持とにより、既述した効果を奏することができる。
FIG. 8 is an explanatory view showing the
図9は、第2変形例の燃料電池セル110Bを複数積層した状況においてガス用マニホールド30を図4相当に断面視して示す説明図である。この第2変形例の燃料電池セル110Bは、間隙凹所23を燃料電池セル110Aが積層された状態で形成する点に特徴がある。この第2変形例の燃料電池セル110Bによっても、それぞれの燃料電池セル110Bでの間隙凹所23での水Wの保水と、間隙凹所23を取り囲む樹脂シート20とセパレータ40a、40bを親水性としたことによる間隙凹所23における水Wの保水状態の保持とにより、既述した効果を奏することができる。
FIG. 9 is an explanatory view showing the
本発明は、上述の実施形態や実施例、変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、実施例、変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部または全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部または全部を達成するために、適宜、差し替えや組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。 The present invention is not limited to the above-described embodiments, examples, and modifications, and can be implemented with various configurations without departing from the scope of the invention. For example, the technical features in the embodiments, examples, and modifications corresponding to the technical features in the respective forms described in the section of the summary of the invention are for solving some or all of the problems described above, or In order to achieve part or all of the above-described effects, replacements or combinations can be made as appropriate. Also, if the technical features are not described as essential in the present specification, they can be deleted as appropriate.
既述した実施形態では、間隙凹所23の取り囲み領域において、樹脂シート20とセパレータ40a、40bのいずれにも親水性を有するようにしたが、これに限らない。例えば、間隙凹所23の取り囲み領域における樹脂シート20の側だけに親水性を付与したり、セパレータ40a、40bの側だけに親水性を付与してもよい。
In the embodiment described above, although the
既述した実施形態では、エアーアウト側のガス用マニホールド30の底辺において間隙凹所23を形成し、その取り囲み領域において樹脂シート20とセパレータ40a、40bに親水性を有するようにしたが、これに限らない。例えば、エアーイン側のガス用マニホールド30の他、水素ガスについてのアウト側・イン側のガス用マニホールド30のいずれか一方に、或いはエアーについてのアウト側・イン側の両ガス用マニホールド30に、水素ガスについてのアウト側・イン側のガス用マニホールド30のいずれか一方、若しくは両ガス用マニホールド30において間隙凹所23を形成し、その取り囲み領域において樹脂シート20とセパレータ40a、40bに親水性を付与してもよい。この他、エアーと水素ガスについてのアウト側・イン側の総てのガス用マニホールド30において間隙凹所23を形成し、その取り囲み領域において樹脂シート20とセパレータ40a、40bに親水性を付与してもよい。
In the embodiment described above, the
既述した実施形態では、ガス用マニホールド30の底辺の全域において間隙凹所23を形成したが、ガス用マニホールド30の底辺の少なくとも一部領域、例えば、ガス用マニホールド30の底辺の中央領域や、底辺の両端領域において間隙凹所23を形成してもよい。このように底辺の一部領域に間隙凹所23を形成する際には、間隙凹所23の形成領域をガス用マニホールド30の底辺全域の70〜90%としたりできる。
In the embodiment described above, the
既述した実施形態では、ガス用マニホールド30の側方壁や天井壁にも間隙凹所23を形成したが、側方壁と天井壁の間隙凹所23を省略してもよい。
In the embodiment described above, the
既述した実施形態では、エンドプレート170Fとエンドプレート170Eとの間に積層された総ての燃料電池セル110を、間隙凹所23を有するセルとしたがこれに限らない。例えば、エンドプレート側の所定範囲(セル積層範囲の5〜10%)を除く燃料電池セル110を、間隙凹所23を有する燃料電池セルとし、エンドプレート側の所定範囲の燃料電池セル110については、間隙凹所23を有しない燃料電池セルとしてもよい。
In the embodiment described above, all the
10…発電体
20…樹脂シート
21…開口部
23…間隙凹所
30…ガス用マニホールド
30a…シート側マニホールド孔
30as…側方壁面
30at…底辺壁面
30b…セパレータ側マニホールド孔
30bs…側方壁面
30bt…底辺壁面
31…冷却マニホールド孔
40a…セパレータ
40b…セパレータ
41…流路
42…分配流路
43…合流流路
50…ガス給排路
51…ガス導入部
60…ガスケット
100…燃料電池
110、110A、110B…燃料電池セル
116…供給用マニホールド
117…排出用マニホールド
118…供給用マニホールド
119…排出用マニホールド
160E…ターミナルプレート
160F…ターミナルプレート
165E…絶縁板
165F…絶縁板
170F…エンドプレート
170E…エンドプレート
D…差分
W…水
DESCRIPTION OF
Claims (1)
前記両セパレータの前記外縁領域に設けられたセパレータ側マニホールド孔と、前記樹脂シートの前記外縁領域に設けられたシート側マニホールド孔とが、前記燃料電池セルの積層によりガス用マニホールドを形成し、
該ガス用マニホールドの底辺の少なくとも一部領域において、前記樹脂シートの先端が前記両セパレータの先端より前記ガス用マニホールドの内側に位置し、
前記両セパレータは、前記ガス用マニホールドの前記底辺の側で前記樹脂シートの少なくとも一方のシート面に、間隙凹所を形成し、
前記樹脂シートは、前記間隙凹所から前記膜電極接合体へのガス給排用のガス給排路を有し、
前記間隙凹所を取り囲む前記両セパレータと前記樹脂シートの少なくとも一方は、前記間隙凹所の取り囲み領域において親水性を有する、
燃料電池スタック。 A fuel cell stack comprising a plurality of fuel cells stacked with a membrane electrode assembly surrounded by a frame-like resin sheet, and the resin sheet being sandwiched between the cathode side and anode side separators in the outer edge region of the membrane electrode assembly. There,
The separator manifold holes provided in the outer edge area of the both separators and the sheet manifold holes provided in the outer edge area of the resin sheet form a gas manifold by stacking the fuel cells.
In at least a partial area of the bottom side of the gas manifold, the front end of the resin sheet is located more inward of the gas manifold than the front ends of the two separators,
The two separators form a space recess in at least one of the sheet surfaces of the resin sheet on the side of the bottom of the gas manifold,
The resin sheet has a gas supply and discharge path for gas supply and discharge from the gap recess to the membrane electrode assembly,
At least one of the both separators surrounding the gap recess and the resin sheet is hydrophilic in the surrounding area of the gap recess,
Fuel cell stack.
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JP2000223131A (en) * | 1999-02-01 | 2000-08-11 | Toyota Motor Corp | Fuel cell, separator used therefor and their manufacture |
JP2007042538A (en) * | 2005-08-05 | 2007-02-15 | Nissan Motor Co Ltd | Fuel cell stack |
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