JP2019216002A - 燃料電池セルおよび燃料電池スタック - Google Patents
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Abstract
Description
この形態の燃料電池セルによれば、第1流路部から連結部に流入した排ガスの気体成分を第2流路部および第3流路部の両方へと流入させ、液体成分を、第2流路部側ではなく、第3流路部側へと誘導することができる。よって、第2流路部への液体成分の流入が抑制され、燃料電池セルの発電停止後に、第2流路部に水分が残留することが抑制される。そのため、低温環境下において、燃料電池セルにおける全ての排ガス流路が残留水分の凍結によって閉塞されて、発電の再開が困難になってしまうことが抑制される。
この形態の燃料電池セルによれば、連結流路の流路方向に沿って、排ガスの液体成分を、第2流路部の上流端側から第3流路部の上流端側へと誘導することができるため、より一層、第2流路部への液体成分の流入を抑制することができる。
この形態の燃料電池セルによれば、第1流路部から連結部に流入した排ガスの気体成分を、第2流路部および第3流路部の両方へと流入させ、液体成分を、第2流路部側ではなく、第3流路部側へと誘導することができる。よって、第2流路部への液体成分の流入が抑制され、燃料電池セルの発電停止後に、第2流路部に水分が残留することが抑制される。そのため、低温環境下において、燃料電池セルにおける全ての排ガス流路が残留水分の凍結によって閉塞されて、発電の再開が困難になってしまうことが抑制される。
この形態の燃料電池セルによれば、交差壁面部を有する連結流路によって、第1流路部から流出した排ガスの液体成分を、第2流路部側から第3流路部側へと誘導することができる。そのため、より一層、第2流路部への液体成分の流入を抑制することができる。
この形態の燃料電池セルによれば、第1連結流路と第2連結流路の二段階で第2流路部に流入する水分量を低減することができる。
この形態の燃料電池セルによれば、第1連結流路と第2連結流路の二段階で第2流路部に流入する水分量を低減することができる。
この形態の燃料電池セルによれば、第1流路部の上流側が第3流路部から第2流路部に向かう方向に延び、第5流路部の上流側が第4流路部から第1流路部に向かう方向に延びて、排ガス流路の形成範囲が広くなってしまうことを抑制することができる。
この形態の燃料電池セルによれば、排ガスの液体成分を、第3流路部に向かう角度であって、第2流路部に流入しにくい角度で、連結流路に流入させることができる。よって、排ガスの液体成分が第2流路部に流入することを、より一層抑制することができる。
この形態の燃料電池セルによれば、連結部において、第1流路部の出口である下流端と第2流路部の入口である上流端とが樹脂フレームとセパレータとが積層されている方向においてずれた位置に開口する。そのため、第1流路部から連結部に流入した排ガス中の液体成分が第2流路部に流入することをより効果的に抑制することができる。
この形態の燃料電池セルによれば、重力の作用が加わることにより、連結部において、排ガスの液体成分が、第2流路部の上流端側ではなく、第3流路部の上流端側へと、より一層、誘導されやすくなる。そのため、排ガスの液体成分が第2流路部へ流入することが、より一層抑制される。
この形態の燃料電池スタックによれば、シール部材から樹脂フレームが受ける押圧力によって、樹脂フレームに形成されている排ガス流路の流路径が小さくなっていても、少なくとも、第2流路部における凍結水分による閉塞を抑制することができる。
図1は、第1実施形態の燃料電池セル10を備える燃料電池スタック100の構成を示す概略図である。燃料電池セル10は、反応ガスである燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応によって発電する固体高分子形燃料電池である。第1実施形態では、燃料ガスは水素であり、酸化剤ガスは酸素である。燃料電池スタック100は、複数個の燃料電池セル10が積層されて締結された構成を有している。図1には、燃料電池スタック100における燃料電池セル10の積層方向SDを示す矢印を図示してある。
図6Aおよび図6Bを参照して、第2実施形態の燃料電池セルが有する排ガス流路65Bの構成を説明する。図6Aは、第2実施形態の排ガス流路65Bの一部を積層方向SDに沿って見たときの概略平面図である。図6Aでは、図4Aと同様に、アノード側の排ガス流路65Bについて、排ガス流路65Bの内部空間を白抜きで示し、排ガス流路65Bの壁部を構成するセパレータ42の部分を、斜線ハッチングを付して示してある。図6Bは、図6Aに示すF6−F6切断における第2実施形態の燃料電池セルの概略断面図である。
図7は、第3実施形態の排ガス流路65Cの一部を積層方向SDに沿って見たときの概略平面図である。図7では、図4Aと同様に、アノード側の排ガス流路65Cについて、排ガス流路65Cの内部空間を白抜きで示し、排ガス流路65Cの壁部を構成するセパレータ42の部分を、斜線ハッチングを付して示してある。
図8は、第4実施形態の排ガス流路65Dを積層方向SDに沿って見たときの概略平面図である。図8では、図4Aと同様に、アノード側の排ガス流路65Dについて、排ガス流路65Dの内部空間を白抜きで示し、排ガス流路65Dの壁部を構成するセパレータ42の部分を、斜線ハッチングを付して示してある。第4実施形態の燃料電池セルおよび燃料電池スタックの構成は、第4実施形態の排ガス流路65Dを有している点以外は、第1実施形態の燃料電池セル10および燃料電池スタック100の構成とほぼ同じである。なお、第4実施形態の燃料電池セルおよび燃料電池スタックでは、第1実施形態と同様に、排ガス流路65Dの構成は、アノード側とカソード側とで共通である。以下における排ガス流路65Dの構成の説明は、特に断らない限り、一対のセパレータ41,42が樹脂フレーム30を挟んで対向する方向に見たときのものである。
上記の各実施形態で説明した種々の構成は、例えば、以下のように改変することが可能である。以下に説明する他の実施形態はいずれも、上記の各実施形態と同様に、発明を実施するための形態の一例として位置づけられる。
図9A〜図9Cを参照して、第1実施形態における排ガス流路65の他の構成例を説明する。図9Aに示す排ガス流路65aのように、第1流路部71の下流端は、第3流路部73の上流端と対向せず、交差壁面部79のみと対向していてもよい。図9Bに示す排ガス流路65bのように、第1流路部71は、第2流路部72および第3流路部73とほぼ平行な角度で延びていてもよい。第1流路部71の下流端の延長領域77が延びる方向に平行なベクトルが、第2流路部72の上流端側から第3流路部73の上流端側に向かう方向の成分を有し、延長領域77が第2流路部72の上流端よりも第3流路部73の上流端側に位置していればよい。図9Cに示す排ガス流路65cのように、第2流路部72と第3流路部73とは互いに交差する方向に延びていてもよい。
上記の各実施形態の排ガス流路65,65B〜65C,65a〜65cにおいて、連結流路67に接続されている第1流路部71、第2流路部72、および、第3流路部73以外の流路部74,75は省略されてもよい。上記の各実施形態の排ガス流路65,65B〜65Cにおいて、連結流路67の+Y方向側に、連結流路67に接続されず、発電部25とマニホールド部52,54とを接続する流路が設けられていてもよい。第4実施形態の排ガス流路65Dにおいて、分岐流路94以外の並列流路90が省略されていてもよい。分岐流路94の+Y方向側に他の並列流路90が設けられていてもよい。
他の実施形態を含む上記の各実施形態の構成において、第1流路部71,91、第2流路部72,92、第3流路部73,93、連結流路67、および、連結部95は、樹脂フレーム側流路部69として構成されていてもよい。第3実施形態の排ガス流路65Cにおいて、第2連結流路82および第2連結流路82よりも下流側の流路が樹脂フレーム側流路部69として構成されていてもよい。第3実施形態の排ガス流路65Cにおいて、第1流路部71、第2流路部72、第3流路部73、第1連結流路67、第4流路部84、第5流路部85、第2連結流路82が樹脂フレーム側流路部69として構成されていてもよい。第4実施形態の排ガス流路65Dにおいて、第1流路部71がセパレータ側流路部68によって構成され、第2流路部92および第3流路部93が樹脂フレーム側流路部69によって構成されてもよい。また、連結部95が、セパレータ側凹部47とフレーム側凹部37とが対向して形成される空間によって構成されていてもよい。
燃料電池セル10の発電中の配置姿勢は、上記の各実施形態で説明した第2流路部72,92が重力方向上側となり、第3流路部73,93が重力方向下側となる姿勢には限定されない。燃料電池セル10は、発電中に、例えば、積層方向SDが重力方向に沿った方向となるように配置されてもよい。
上記の各実施形態における排ガス流路65,65B〜65Dの流路構成は、アノード側とカソード側の両方に適用されていなくてもよく、アノード側とカソード側のいずれか一方にのみ適用されていてもよい。なお、上実施形態における排ガス流路65,65B〜65Dの流路構成は、少なくとも、アノード側に適用されることが望ましい。
Claims (11)
- 燃料電池セルであって、
膜電極接合体と、
前記膜電極接合体の発電部の周囲に配置される樹脂フレームと、
前記膜電極接合体と前記樹脂フレームとを挟む一対のセパレータと、
前記発電部の周囲に設けられ、前記発電部から排出される排ガスを前記燃料電池セルから流出させるマニホールド部と、
前記一対のセパレータのうちの少なくとも一方と前記樹脂フレームとによって構成され、前記排ガスを前記発電部から前記マニホールド部に導く排ガス流路と、
を備え、
前記排ガス流路は、
前記発電部から前記マニホールド部に向かう方向に延びている第1流路部と、
前記第1流路部より下流側において互いに並列に延びてそれぞれの下流端が前記マニホールド部に接続されている第2流路部および第3流路部と、
前記第1流路部の下流端と、前記第2流路部の上流端と、前記第3流路部の上流端と、に接続されている連結部と、
を含み、
前記一対のセパレータが前記樹脂フレームを挟んで互いに対向する方向に見たときに、
前記第1流路部は、前記第1流路部の下流端を前記連結部内に延長した延長領域が、前記連結部において、前記第2流路部の上流端側ではなく、前記第3流路部の上流端側に向かって延びるように、前記連結部に接続しており、
前記連結部において、前記延長領域に対して、前記第2流路部と前記第3流路部の配列方向のうち、前記第2流路部から前記第3流路部に向かう方向側の領域には、前記発電部から延びている流路は接続されていない、燃料電池セル。 - 請求項1記載の燃料電池セルであって、
前記連結部は、前記第2流路部と前記第3流路部とに交差するように延びる連結流路であり、
前記一対のセパレータが前記樹脂フレームを挟んで対向する方向に沿って見たときに、
前記第1流路部の下流側部位は、前記第2流路部から前記第3流路部に向かう方向に傾斜して前記連結流路に接続しており、
前記延長領域の延長方向における端部は、前記第2流路部の上流端に対して、前記第2流路部から前記第3流路部に向かう方向側に位置する、燃料電池セル。 - 燃料電池セルであって、
膜電極接合体と、
前記膜電極接合体の発電部の周囲に配置される樹脂フレームと、
前記膜電極接合体と前記樹脂フレームとを挟む一対のセパレータと、
前記発電部の周囲に設けられ、前記発電部から排出される排ガスを前記燃料電池セルから流出させるマニホールド部と、
前記一対のセパレータのうちの少なくとも一方と前記樹脂フレームとによって構成され、前記排ガスを前記発電部から前記マニホールド部に導く排ガス流路と、
を備え、
前記排ガス流路は、
前記発電部から前記マニホールド部に向かう方向に延びている第1流路部と、
前記第1流路部より下流側において互いに並列に延びてそれぞれの下流端が前記マニホールド部に接続されている第2流路部および第3流路部と、
前記第1流路部の下流端と、前記第2流路部の上流端と、前記第3流路部の上流端と、に接続されている連結部と、
前記第2流路部の上流端に対して、前記第2流路部から前記第3流路部に向かう方向側に位置し、前記第2流路部の上流端から、前記第2流路部の上流端の中心軸に対して交差する方向に延びている交差壁面部と、
を含み、
前記第1流路部の下流端は、前記連結部において最も上流に位置し、
前記第1流路部の下流端の中心軸方向に見たときに、前記第1流路部の下流端は、前記第2流路部の上流端に対して、前記第2流路部から前記第3流路部に向かう方向側に位置し、
前記一対のセパレータが前記樹脂フレームを挟んで互いに対向する方向に見たときに、
前記第1流路部の下流端は、前記交差壁面部と、前記第3流路部の上流端と、のうちの少なくとも一方と、前記第1流路部の下流端の中心軸方向において対向し、
前記交差壁面部は、前記第2流路部の上流端から、前記第1流路部の下流端の中心軸に直交する方向に交差する方向であって、前記第1流路部の下流端から離れる方向に延びている、燃料電池セル。 - 請求項3記載の燃料電池セルであって、
前記連結部は、前記第2流路部と前記第3流路部とに交差する方向に延びる連結流路であり、
前記交差壁面部は、前記連結流路の壁面の一部を構成しており、
前記一対のセパレータが前記樹脂フレームを挟んで対向する方向に見たときに、前記第1流路部の下流側部位は、前記交差壁面部に対して、前記第2流路部から前記第3流路部に向かう方向に傾斜して前記連結流路に接続している、燃料電池セル。 - 請求項2記載の燃料電池セルであって、
前記連結流路は、第1連結流路であり、
前記延長領域は、第1延長領域であり、
前記排ガス流路は、さらに、
前記第1流路部と並列に延び、下流端が前記第1連結流路に接続されている第4流路部と、
前記第1流路部の上流端と前記第4流路部の上流端とが接続されている第2連結流路と、
前記第2連結流路より上流側に位置し、下流端が前記第2連結流路に接続されている第5流路部と、
を含み、
前記一対のセパレータが前記樹脂フレームを挟んで互いに対向する方向に見たときに、
前記第5流路部は、下流端を前記第2連結流路内に延長した第2延長領域が、前記第2連結流路において、前記第1流路部の上流端側ではなく、前記第4流路部の上流端側に向かって延びるように、前記第2連結流路に接続しており、
前記第2延長領域に対して、前記第1流路部と前記第4流路部の配列方向のうち、前記第4流路部から前記第1流路部に向かう方向側における前記第2連結流路の領域には、上流側が前記発電部に接続されている流路は接続されていない、燃料電池セル。 - 請求項4記載の燃料電池セルであって、
前記連結流路は第1連結流路であり、
前記交差壁面部は第1交差壁面部であり、
前記排ガス流路は、さらに、
前記第1流路部と並列に延び、下流端が前記第1連結流路に接続されている第4流路部と、
前記第1流路部の上流端と前記第4流路部の上流端とが接続されている第2連結流路と、
前記第2連結流路より上流側に位置し、下流端が前記第2連結流路に接続されている第5流路部と、
前記第1流路部の上流端に対して、前記第1流路部から前記第4流路部に向かう方向側に位置し、前記第1流路部の上流端から、前記第1流路部の上流端の中心軸に対して交差する方向に延びている第2交差壁面部と、
を含み、
前記第5流路部の下流端は、前記第2連結流路において最も上流に位置し、
前記第5流路部の下流端の中心軸方向に見たときに、前記第5流路部の下流端は、前記第1流路部の上流端に対して、前記第1流路部から前記第4流路部に向かう方向側に位置し、
前記一対のセパレータが前記樹脂フレームを挟んで互いに対向する方向に見たときに、
前記第5流路部の下流端は、前記第2交差壁面部と、前記第4流路部の上流端と、のうちの少なくとも一方と、前記第5流路部の下流端の中心軸方向において対向し、
前記第2交差壁面部は、前記第1流路部の上流端から、前記第5流路部の下流端の中心軸に直交する方向に交差する方向であって、前記第5流路部の下流端から離れる方向に延びている、燃料電池セル。 - 請求項5または請求項6記載の燃料電池セルであって、
前記第1流路部は、前記第2流路部から前記第3流路部に向かう方向に湾曲して前記第1連結流路に接続し、
前記第5流路部は、前記第1流路部から前記第4流路部に向かう方向に湾曲して前記第2連結流路に接続している、燃料電池セル。 - 請求項2、請求項4から請求項7のいずれか一項に記載の燃料電池セルであって、
前記一対のセパレータが前記樹脂フレームを挟んで互いに対向する方向に見たときに、
前記連結流路の中心軸と前記第2流路部の上流端の中心軸との間の前記第3流路部側の角度θbは、前記連結流路の中心軸と前記第1流路部の下流端の中心軸との間の前記第2流路部側の角度θaよりも大きい、燃料電池セル。 - 請求項1から請求項8のいずれか一項に記載の燃料電池セルであって、
前記第1流路部は、前記一対のセパレータのうちの一方のセパレータにおける前記樹脂フレーム側の面に設けられたセパレータ側凹部と、前記樹脂フレームと、の間の空間によって構成され、
前記第2流路部および前記第3流路部は、前記樹脂フレームの前記一方のセパレータ側の面に設けられたフレーム側凹部と、前記一方のセパレータと、の間の空間によって構成され、
前記連結部は、前記セパレータ側凹部と前記フレーム側凹部とが対向して形成される空間によって構成されている、燃料電池セル。 - 請求項1から請求項9のいずれか一項に記載の燃料電池セルであって、
前記第2流路部が重力方向上側となり、前記第3流路部が重力方向下側となるように配置される、燃料電池セル。 - 請求項1から請求項10のいずれか一項に記載の燃料電池セルが、複数個、積層された燃料電池スタックであって、
前記燃料電池セル同士の間において、前記マニホールド部を囲み、互いに対向する前記セパレータに挟まれて、前記燃料電池セル同士の間からの流体の漏洩を防止するシール部材が配置され、
前記第2流路部および前記第3流路部は、前記樹脂フレーム内に設けられ、前記燃料電池セルの積層方向に沿って見たときに、前記シール部材と交差するように延びている、燃料電池スタック。
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