JP2020047483A - Fuel cell - 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.
例えば、燃料電池には、一方の面に燃料ガスまたは酸化剤ガスの流路溝が設けられ、他方の面に冷却媒体の流路溝が設けられたセパレータを備えられる(例えば特許文献1参照)。セパレータは、燃料ガスまたは酸化剤ガスの流路溝と冷却媒体の流路溝が交互に並ぶように、例えばプレス加工などにより凹凸状に形成されている。 For example, a fuel cell is provided with a separator in which a flow channel for a fuel gas or an oxidizing gas is provided on one surface and a flow channel for a cooling medium is provided on the other surface (for example, see Patent Document 1). . The separator is formed in an uneven shape by, for example, press working so that the flow grooves for the fuel gas or the oxidizing gas and the flow grooves for the cooling medium are alternately arranged.
アノード側のセパレータは燃料ガスの流路溝を有し、カソード側のセパレータは酸化剤ガスの流路溝を有する。アノード側のセパレータとカソード側のセパレータは、MEGA(Membrane Electrode Gus diffusion layer Assembly)を挟んで冷却媒体の流路溝が設けられた面同士が向き合うように重ね合わせられる。 The separator on the anode side has a flow groove for fuel gas, and the separator on the cathode side has a flow groove for oxidant gas. The anode-side separator and the cathode-side separator are overlapped so that the surfaces provided with the flow channels of the cooling medium face each other across a MEGA (Membrane Electrode Gus diffusion layer Assembly).
セパレータの平面視で燃料ガスの流路溝と酸化剤ガスの流路溝が交差する領域ではアノード側及びカソード側の各セパレータの冷却媒体の流路溝が合流するため、冷却媒体の流路溝は全体として網目状の形態を有する。冷却媒体は、網目状の流路溝をジグザグに流れて進行方向を頻繁に変えるため、一定方向に進む場合より圧力損失が高くなる。このため、燃料電池の冷却効率が低下するおそれがある。 In the region where the fuel gas flow grooves and the oxidizing gas flow grooves intersect in plan view of the separator, the cooling medium flow grooves of the anode-side and cathode-side separators merge, so that the cooling medium flow grooves Has a net-like form as a whole. Since the cooling medium flows in a zigzag manner in the mesh-shaped flow channel grooves and changes its traveling direction frequently, the pressure loss becomes higher than when the cooling medium travels in a certain direction. For this reason, the cooling efficiency of the fuel cell may decrease.
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、冷却媒体の圧力損失を低減することができる燃料電池を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and has as its object to provide a fuel cell that can reduce pressure loss of a cooling medium.
本明細書に記載の燃料電池は、酸化剤ガスが流れる複数の第1流路溝が一方の面に設けられ、前記複数の第1流路溝の間に冷却媒体が流れる複数の第2流路溝が他方の面に設けられた第1セパレータと、燃料ガスが流れる複数の第3流路溝が一方の面に設けられ、前記複数の第3流路溝の間に前記冷却媒体が流れる複数の第4流路溝が他方の面に設けられた第2セパレータとを有し、前記第1セパレータと前記第2セパレータは、前記複数の第2流路溝が設けられた面と前記複数の第4流路溝が設けられた面が対向するように重ね合わせられ、平面視で前記複数の第1流路溝と前記複数の第3流路溝が交差する複数の交差部のうち、一部の交差部において、当該第1流路溝の底部と当該第3流路溝の底部の間を前記冷却媒体が通過するように、前記第1流路溝の底部と前記第3流路溝の底部が間隔をおいて対向している。 In the fuel cell described in the present specification, a plurality of first flow grooves through which an oxidizing gas flows are provided on one surface, and a plurality of second flow paths through which a cooling medium flows between the plurality of first flow grooves. A first separator provided with a passage groove on the other surface, and a plurality of third passage grooves through which fuel gas flows are provided on one surface, and the cooling medium flows between the plurality of third passage grooves. A plurality of fourth flow passage grooves have a second separator provided on the other surface, and the first separator and the second separator are provided on the surface provided with the plurality of second flow passage grooves and the plurality of second flow passage grooves. Of the plurality of intersections where the plurality of first flow channels and the plurality of third flow channels intersect in plan view, At some intersections, the cooling medium passes between the bottom of the first flow channel and the bottom of the third flow channel. The bottom of the bottom portion and the third flow channel of the first channel groove faces at intervals.
本発明によれば、燃料電池の冷却媒体の圧力損失を低減することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the pressure loss of the cooling medium of a fuel cell can be reduced.
図1は、燃料電池の一例を示す分解斜視図である。燃料電池スタックは、複数の燃料電池をスタックして、その両端にエンドプレートを配置して各エンドプレートの間を締結することにより構成されている。 FIG. 1 is an exploded perspective view showing an example of a fuel cell. The fuel cell stack is configured by stacking a plurality of fuel cells, disposing end plates at both ends thereof, and fastening between the end plates.
燃料電池は、カソードセパレータ1、アノードセパレータ2と、フレーム3と、MEGA5とを有する。符号P1はMEA50の断面を示す。MEGA5には、膜電極接合体(MEA: Membrane Electrode Assembly)50、及びMEA50を挟む一対のガス拡散層51,52が含まれる。MEA50には、電解質膜50a、カソード電極触媒層50c、及びアノード電極触媒層50bが含まれる。
The fuel cell includes a
電解質膜50a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を含む。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。
The
アノード電極触媒層50b及びカソード電極触媒層50cは、それぞれ、触媒担持導電性粒子とプロトン伝導性電解質を含む、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、アノード電極触媒層50b及びカソード電極触媒層50cは、白金担持カーボンとプロトン伝導性電解質を含む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。
Each of the anode
アノード電極触媒層50bには一方のガス拡散層52を介し水素ガスなどの燃料ガスが供給され、カソード電極触媒層50cには他方のガス拡散層51を介し空気などの酸化剤ガスが供給される。ガス拡散層51,52は、例えば、カーボンペーパーなどの基材に撥水性のマイクロポーラス層を積層することにより形成される。なお、マイクロポーラス層としては、例えばPTFE(polytetrafluoroethylene)などの撥水性樹脂とカーボンブラックなどの導電性材料などを含んで形成される。
A fuel gas such as hydrogen gas is supplied to the anode
MEA50は、酸化剤ガス及び燃料ガスを用いた電気化学反応により発電する。酸化剤ガスは、カソードセパレータ1からガス拡散層51を介してMEA50に供給され、燃料ガスは、燃料電池スタックにおいて隣接する他の燃料電池のアノードセパレータ2からガス拡散層52を介してMEA50に供給される。
The MEA 50 generates power by an electrochemical reaction using an oxidizing gas and a fuel gas. The oxidant gas is supplied from the
カソードセパレータ1は燃料電池のカソード側に配置され、アノードセパレータ2は燃料電池のアノード側に配置されている。燃料電池スタックにおいて、カソードセパレータ1は、MEGA5に隣接する他の燃料電池のアノードセパレータ2との間にフレーム3及びMEGA5を挟み、アノードセパレータ2は、アノードセパレータ2に隣接する他の燃料電池のカソードセパレータ1との間に、その燃料電池のフレーム3及びMEGA5を挟む。なお、カソードセパレータ1は第1セパレータの一例であり、アノードセパレータ2は第2セパレータの一例である。
The
カソードセパレータ1及びアノードセパレータ2は、例えば金属板などにより構成され、矩形状の外形を有する。なお、カソードセパレータ1及びアノードセパレータ2は、金属に限定されず、例えばカーボン成型により形成されてもよい。カソードセパレータ1及びアノードセパレータ2は接着剤また溶接により互いに接合され、カソードセパレータ1は例えば接着剤によりフレーム3に接着されている。
The
フレーム3は、一例として矩形状の外形を有する樹脂シートにより構成される。フレーム3の材料としては、例えばポリエチレンテレフタレート(PET: Polyethylene Terephthalate)系樹脂、シンジオタクチックポリスチレン(SPS; Syndiotactic Polystyrene)系樹脂、及びポリプロピレン(PP: Polypropylene)系樹脂などが挙げられる。
The
フレーム3の中央部には矩形状の開口30が設けられている。開口30は、MEGA5に対応する位置に設けられ、その縁にはMEA50の外周側の端部が接着される。これにより、MEGA5はフレーム3に固定される。
A
カソードセパレータ1には、一端に沿って貫通孔11〜13が並ぶように設けられ、反対側の他端に沿って貫通孔14〜16が並ぶように設けられている。アノードセパレータ2には、一端に沿って貫通孔21〜23が並ぶように設けられ、反対側の他端に沿って貫通孔24〜26が並ぶように設けられている。また、フレーム3には、一端に沿って貫通孔31〜33が並ぶように設けられ、反対側の他端に沿って貫通孔34〜36が並ぶように設けられている。
The
貫通孔11,21,31は、燃料電池のスタック時に互いに重なり合うことにより燃料ガス供給マニホルドを構成する。燃料ガスは、矢印Hinで示されるように、燃料ガス供給マニホルド内を燃料電池スタックの積層方向に流れることにより各燃料電池に供給される。
The through
貫通孔16,26,36は、燃料電池のスタック時に互いに重なり合うことにより燃料ガス排出マニホルドを構成する。発電に用いられた燃料ガスは、矢印Houtで示されるように、各燃料電池から燃料ガス排出マニホルド内を燃料電池スタックの積層方向に流れて排出される。
The through
貫通孔12,22,32は、燃料電池のスタック時に互いに重なり合うことにより冷却水供給マニホルドを構成する。冷却水は、矢印Cinで示されるように、冷却水供給マニホルド内を燃料電池スタックの積層方向に流れることにより各燃料電池に供給される。なお、冷却水は、燃料電池を冷却する冷却媒体の一例である。
The through
貫通孔15,25,35は、燃料電池のスタック時に互いに重なり合うことにより冷却水排出マニホルドを構成する。燃料電池の冷却に用いられた冷却水は、矢印Coutで示されるように、冷却水排出マニホルド内を燃料電池スタックの積層方向に流れることにより各燃料電池から排出される。 The through holes 15, 25, and 35 constitute a cooling water discharge manifold by overlapping each other when the fuel cells are stacked. The cooling water used for cooling the fuel cells is discharged from each fuel cell by flowing in the cooling water discharge manifold in the stacking direction of the fuel cell stack, as indicated by an arrow Cout.
貫通孔14,24,34は、燃料電池のスタック時に互いに重なり合うことにより酸化剤ガス供給マニホルドを構成する。酸化剤ガスは、矢印Ainで示されるように、酸化剤ガス供給マニホルド内を燃料電池スタックの積層方向に流れることにより各燃料電池に供給される。 The through holes 14, 24, and 34 constitute an oxidizing gas supply manifold by overlapping each other when the fuel cells are stacked. The oxidizing gas is supplied to each fuel cell by flowing in the oxidizing gas supply manifold in the stacking direction of the fuel cell stack, as indicated by an arrow Ain.
貫通孔13,23,33は、燃料電池のスタック時に互いに重なり合うことにより酸化剤ガス排出マニホルドを構成する。発電に用いられた酸化剤ガスは、矢印Aoutで示されるように、酸化剤ガス排出マニホルド内を燃料電池スタックの積層方向に流れることにより各燃料電池から排出される。 The through holes 13, 23, and 33 constitute an oxidant gas discharge manifold by overlapping each other when the fuel cells are stacked. The oxidizing gas used for power generation is discharged from each fuel cell by flowing in the oxidizing gas discharge manifold in the stacking direction of the fuel cell stack, as indicated by an arrow Aout.
カソードセパレータ1は、一方の面1aに酸化剤ガスの流路溝が設けられ、その反対側の面1bに冷却水の流路溝が設けられたカソード流路部1cを有する。アノードセパレータ2は、一方の面2aに燃料ガスの流路溝が設けられ、その反対側の面2bに冷却水の流路溝が設けられたアノード流路部2cを有する。
The
カソードセパレータ1とアノードセパレータ2は、冷却水の流路溝が設けられた面1b,2b同士が対向するように重ね合わせられる。冷却水は、供給側の貫通孔12からカソード流路部1c及びアノード流路部2cの流路溝を通って排出側の貫通孔15に流れ込む。
The
カソードセパレータ1は、酸化剤ガスの流路溝が設けられた面1aがMEGA5のガス拡散層51に対向するように積層される。酸化剤ガスは、供給側の貫通孔14から流路溝を通って排出側の貫通孔13に流れ込む。
The
アノードセパレータ2は、燃料ガスの流路溝が設けられた面2aが、燃料電池スタックにおいて隣接する他の燃料電池のMEGA5のガス拡散層52に対向するように積層される。燃料ガスは、供給側の貫通孔21から流路溝を通って排出側の貫通孔26に流れ込む。
The
次に各流路溝の構成について述べる。 Next, the configuration of each flow channel will be described.
図2は、酸化剤ガス及び燃料ガスの各流路溝の一例を示す平面図である。より具体的には、図2は、図1に示された方向Vに従ってカソードセパレータ1の面1aとアノードセパレータ2の面2aを重ねて平面視したときの酸化剤ガス及び燃料ガスの各流路溝を示す図である。
FIG. 2 is a plan view showing an example of each flow channel groove of the oxidizing gas and the fuel gas. More specifically, FIG. 2 shows each flow path of the oxidizing gas and the fuel gas when the
カソード流路部1cの面1a側には、複数の流路溝を含む上流域流路溝群10b、中流域流路溝群10a、及び下流域流路溝群10cが形成されている。上流域流路溝群10b、中流域流路溝群10a、及び下流域流路溝群10cは互いに連通し、上流域流路溝群10bは供給側の貫通孔14と接続され、下流域流路溝群10cは排出側の貫通孔13と接続されている。酸化剤ガスは、矢印で示されるように、供給側の貫通孔14から上流域流路溝群10b、中流域流路溝群10a、及び下流域流路溝群10cをこの順に経由して排出側の貫通孔13に流れ込む。
On the
アノード流路部2cの面2a側には、複数の流路溝を含む上流域流路溝群20b、中流域流路溝群20a、及び下流域流路溝群20cが形成されている。上流域流路溝群20b、中流域流路溝群20a、及び下流域流路溝群20cは互いに連通し、上流域流路溝群20bは供給側の貫通孔21と接続され、下流域流路溝群20cは排出側の貫通孔26と接続されている。燃料ガスは、矢印で示されるように、供給側の貫通孔21から上流域流路溝群20b、中流域流路溝群20a、及び下流域流路溝群20cをこの順に経由して排出側の貫通孔26に流れ込む。
On the
酸化剤ガス及び燃料ガスの中流域流路溝群10a,20aは平面視でMEA50に重なる。酸化剤ガスは中流域流路溝群10aとMEA50の間で受け渡しされ、燃料ガスは中流域流路溝群20aとMEA50の間で受け渡しされる。このため、中流域流路溝群10a,20aは発電が行われる発電領域に該当する。
The middle
中流域流路溝群10a,20aには、一例としてカソードセパレータ1及びアノードセパレータ2の長辺に沿った平行な複数の流路溝が含まれるが、これに限定されず、例えばサーペンタイン状に配置された複数の流路溝が含まれてもよい。また、上流域流路溝群10b,20bには、中流域流路溝群10a,20aと接続されるように、長辺に対して傾斜した平行な複数の流路溝が含まれ、下流域流路溝群10c,20cには、中流域流路溝群10a,20aと接続されるように、長辺に対して傾斜した平行な複数の流路溝が含まれる。
The middle flow
酸化剤ガスの貫通孔13,14はカソードセパレータ1の一組の対角の近傍に位置し、燃料ガスの貫通孔21,26は、アノードセパレータ2の上記の一組とは重ならない別の一組の対角の近傍に位置する。このため、長辺に対して傾斜した酸化剤ガスの流路溝と燃料ガスの流路溝の一部は、符号P2,P3で示されるように平面視で交差する。
The oxidant gas through-
次に冷却水の流路溝について述べる。 Next, the flow channel of the cooling water will be described.
図3は、カソードセパレータ1の冷却水の流路溝の一例を示す平面図である。図3には、図2との比較が容易となるように、図1の方向Vに従って、冷却水の流路溝が形成された面1bをその反対側の面1aから透かして平面視したときの冷却水の流路溝が示されている。
FIG. 3 is a plan view illustrating an example of a flow channel of the cooling water of the
カソード流路部1cの面1b側には、複数の流路溝を含む上流域流路溝群19b、中流域流路溝群19a、及び下流域流路溝群19cが形成されている。上流域流路溝群19b、中流域流路溝群19a、及び下流域流路溝群19cは互いに連通し、上流域流路溝群19bは供給側の貫通孔12と接続され、下流域流路溝群19cは排出側の貫通孔15と接続されている。冷却水は、矢印で示されるように、供給側の貫通孔12から上流域流路溝群19b、中流域流路溝群19a、及び下流域流路溝群19cをこの順に経由して排出側の貫通孔15に流れ込む。
On the
カソード流路部1cは、冷却水の流路溝が酸化剤ガスの流路溝が平面上で互い違いに配置されるように、例えばプレス加工などにより凹凸形状に形成されている。このため、冷却水の流路溝は反対側の面1aの酸化剤ガスの流路溝の間に設けられている。つまり、冷却水の流路溝は酸化剤ガスの流路溝の壁として機能し、逆に酸化剤ガスの流路溝は冷却水の流路溝の壁として機能する。
The cathode
図4は、アノードセパレータ2の冷却水の流路溝の一例を示す平面図である。図4には、図1の方向Vに従って、冷却水の流路溝が形成された面2bを平面視したときの冷却水の流路溝が示されている。
FIG. 4 is a plan view illustrating an example of a flow channel of the cooling water of the
アノード流路部2cの面2b側には、複数の流路溝を含む上流域流路溝群29b、中流域流路溝群29a、及び下流域流路溝群29cが形成されている。上流域流路溝群29b、中流域流路溝群29a、及び下流域流路溝群29cは互いに連通し、上流域流路溝群29bは供給側の貫通孔22と接続され、下流域流路溝群29cは排出側の貫通孔25と接続されている。冷却水は、矢印で示されるように、供給側の貫通孔22から上流域流路溝群29b、中流域流路溝群29a、及び下流域流路溝群29cをこの順に経由して排出側の貫通孔25に流れ込む。
On the
アノード流路部2cは、冷却水の流路溝が燃料ガスの流路溝が平面上で互い違いに配置されるように、例えばプレス加工などにより凹凸形状に形成されている。このため、冷却水の流路溝は反対側の面2aの燃料ガスの流路溝の間に設けられている。つまり、冷却水の流路溝は燃料ガスの流路溝の壁として機能し、逆に燃料ガスの流路溝は冷却水の流路溝の壁として機能する。
The anode
次に冷却水が流れる経路について述べる。 Next, the path through which the cooling water flows will be described.
図5は、比較例における冷却水の経路を示す平面図である。図5には、図2〜図4の符号P3の領域を平面視したときの酸化剤ガスの流路溝100、燃料ガスの流路溝200、及び冷却水の流路溝101,201が部分的に示されている。図5の紙面右方向は各マニホルド側であり、図5の紙面左方向は発電領域側である。
FIG. 5 is a plan view showing the path of the cooling water in the comparative example. In FIG. 5, the flow path groove 100 for the oxidizing gas, the
図6は、A−A線に沿ったカソードセパレータ1及びアノードセパレータ2の断面図である。より具体的には、図6は、カソードセパレータ1側から斜視したときの断面の一部を示す。なお、A−A線は、矢印で示される冷却水の経路の一部に沿っている。
FIG. 6 is a cross-sectional view of the
符号P3の領域では、発電に使用された酸化剤ガスが、発電領域から酸化剤ガス排出マニホルドに向かって流路溝100を流れる。また、燃料ガスは、燃料ガス供給マニホルドから発電領域に向かって流路溝200を流れる。酸化剤ガスの流路溝100と燃料ガスの流路溝200が交差する交差部Pでは、カソードセパレータ1とアノードセパレータ2の間の支持剛性が得られるように各流路溝100,200の底部100a,200a同士が接触している。このため、冷却水は交差部Pを通過することができない。
In the region denoted by reference numeral P3, the oxidizing gas used for power generation flows through the
冷却水は、冷却水供給マニホルドから発電領域に向かってアノードセパレータ2の流路溝201とカソードセパレータ1の流路溝101を流れる。流路溝201,101同士の交差部P’では、各流路溝101,201の底部101a,201a同士が間隔をおいて対向しているため、各流路溝101,201を流れる冷却水が合流する。なお、図5では、A−A線上の交差部P’のみが符号で示されている。
The cooling water flows from the cooling water supply manifold to the power generation region through the
冷却水は、交差部P’において部分的に流路溝101,201の一方から他方に流れ込む。なお、図6には、冷却水が流路溝201から流路溝101に流れ込む経路が矢印で示されているが、これとは逆に流路溝101から流路溝201に流れ込む経路も存在する。このため、冷却水の流路溝101,201は全体として網目状の形態を有する。
The cooling water partially flows from one of the
冷却水は、一例として、図5の矢印で示されるように、酸化剤ガス及び燃料ガスの各流路溝100,200の交差部Pを避けるように冷却水の流路溝101,201の交差部P’で進行方向を変えながらジグザグに流れる。このように、冷却水は進行方向を頻繁に変えるため、一定方向に進む場合より圧力損失が高くなる。このため、燃料電池の冷却効率が低下するおそれがある。
As shown by an arrow in FIG. 5, for example, the cooling water crosses the cooling
そこで、実施例の燃料電池では、各流路溝100,200の底部100a,200aの間を冷却水が流れるように、一部の交差部Pにおいて酸化剤ガスの流路溝100及び燃料ガスの流路溝200の少なくとも一方が浅く形成されている。これにより、冷却水が進行方向を変える頻度が低下するため、冷却水の圧力損失の増加が抑制される。
Therefore, in the fuel cell of the embodiment, the oxidizing
図7は、実施例における冷却水の経路Ka,Kbを示す平面図である。図7には、図2〜図4の符号P3の領域を平面視したときの酸化剤ガスの流路溝110,111、燃料ガスの流路溝210,211、及び冷却水の流路溝112,212が部分的に示されている。
FIG. 7 is a plan view showing cooling water paths Ka and Kb in the embodiment. FIG. 7 shows the
また、図7の紙面右方向は各マニホルド側であり、図7の紙面左方向は発電領域側である。なお、酸化剤ガスの流路溝110,111は第1流路溝の一例であり、冷却水の流路溝112は第2流路溝の一例である。また、燃料ガスの流路溝210,211は第3流路溝の一例であり、冷却水の流路溝212は第4流路溝の一例である。
In addition, the right direction on the paper surface of FIG. 7 is the respective manifold side, and the left direction of the paper surface of FIG. 7 is the power generation region side. The oxidant
図8は、B−B線に沿ったカソードセパレータ1及びアノードセパレータ2の断面図である。より具体的には、図8は、カソードセパレータ1側から斜視したときの断面の一部を示す。なお、B−B線は、矢印で示される冷却水の経路Kaの一部に沿っている。
FIG. 8 is a cross-sectional view of the
本例において、カソードセパレータ1の冷却水の流路溝112の深さは比較例と同様に一定であるが、酸化剤ガスの流路溝110,111の深さは相違する。流路溝110,111は冷却水の流路溝112を挟んで交互に配置されており、一方の流路溝110は他方の流路溝111より浅く形成されている。
In this example, the depth of the
また、アノードセパレータ2の冷却水の流路溝212の深さは比較例と同様に一定であるが、燃料ガスの流路溝210,211の深さは相違する。流路溝210,211は冷却水の流路溝212を挟んで交互に配置されており、一方の流路溝211は他方の流路溝210より浅く形成されている。なお、流路溝111,210の深さは比較例の流路溝100,200と同一である。
The depth of the cooling
このため、浅い流路溝110,211同士が交差する交差部Qでは、各流路溝110,211の底部110a,211aの間に、冷却水が通過できる隙間Lが存在する。つまり、各流路溝110,211の底部110a,211aは間隔をおいて対向している。一方、深い流路溝111,210同士が交差する交差部Rでは、カソードセパレータ1とアノードセパレータ2の間の支持剛性が得られるように各流路溝111,210の底部111a,210a同士が接触している。このため、冷却水は交差部Rを通過することができない。
Therefore, at the intersection Q where the
冷却水の流路溝112,212同士が交差する交差部P’では、比較例と同様に、各流路溝112,212の底部112a,212a同士が間隔をおいて対向しているため、各流路溝112,212を流れる冷却水は合流する。なお、図7では、B−B線上の交差部P’のみが符号で示されている。
At the intersection P ′ where the
冷却水の流路溝112,212の交差部P’同士は、浅い流路溝110,211同士の交差部Qを介して隣り合う。冷却水は、図8に矢印で示されるように、冷却水供給マニホルド側の交差部P’から、浅い流路溝110,211の底部110a,211aの間の隙間Lを通って発電領域側の交差部P’に流れ込む。
The intersections P 'of the cooling
図8の矢印で示されるように、一例として冷却水は、冷却水供給マニホルド側の交差部P’において流路溝212から隙間Lに流れ込み、発電領域側の交差部P’において流路溝112に流れ込む。しかし、図示は省略するが、冷却水供給マニホルド側の交差部P’において流路溝112から隙間Lに流れ込み、発電領域側の交差部P’の流路溝212に流れ込む冷却水の経路も存在する。
As shown by an arrow in FIG. 8, as an example, the cooling water flows into the gap L from the
このように、酸化剤ガスの流路溝110と燃料ガスの流路溝211の各底部110a,211aは間隔をおいて対向しているため、冷却水は、冷却水供給マニホルド側の流路溝112,212から隙間Lを流れて発電領域側の流路溝112,212に流れ込むことができる。
As described above, since the
したがって、冷却水は、図7に示される経路Kaのように、深い流路溝111,210同士の交差部Rを避けるように冷却水の流路溝112,212の交差部P’で進行方向を変えながら流れるが、浅い流路溝110,211同士の交差部Qでは発電領域に向かって真っ直ぐに流れることができる。したがって、冷却水の進行方向を変える頻度が比較例より低減されるため、冷却水の圧力損失の増加が抑制される。
Therefore, the cooling water travels at the intersection P ′ of the cooling
また、図8に示されるように、深い流路溝111,210の底部111a,210aの両端には、底部111a,210aに対する段差が生ずるように段差部111b,210bが設けられている。以下に述べるように、深い流路溝111は、段差部111bを有するため、浅い流路溝110との間で酸化剤ガスの圧力損失の差分が低減される。
As shown in FIG. 8,
図9は、D−D線(図8参照)に沿った流路溝111の一例を示す断面図である。より具体的には、図9は流路溝111内の酸化剤ガスの流れる方向に沿った断面を示す。図9において、図8と共通する構成には同一の符号を付し、その説明は省略する。
FIG. 9 is a cross-sectional view showing an example of the
流路溝111は、例えば酸化剤ガスが流れる方向に沿って一定間隔で凸部111cが設けられている。凸部111cの上部は、例えば段差部111bの高さに一致する。
In the
凸部111c、段差部111b、及び底部111aで確定される空間内には、点線の矢印で示されるように、酸化剤ガスの渦が発生する。酸化剤ガスの渦は、上部の酸化剤ガスの流れを実質的に阻害しないため、圧力損失には寄与しない。このため、段差部111bの高さ位置を浅い流路溝110の底部110aの位置に合わせることにより深い流路溝111と浅い流路溝110の間の流路断面積の差分が低減される。
In the space defined by the
これにより、深い流路溝111と浅い流路溝110との間の酸化剤ガスの圧力損失の差分が低減される。なお、燃料ガスの流路溝210にも上記と同様に構成を備えることにより底部210aに燃料ガスの渦が生ずるため、流路溝210と流路溝211との間の酸化剤ガスの圧力損失の差分が低減される。
Thereby, the difference in pressure loss of the oxidizing gas between the
このように、深い流路溝111,210と浅い流路溝110,211との間で圧力損失の差分が低減されるため、発電領域に流れる酸化剤ガス及び燃料ガスの流量の偏りが低減されて燃料電池の発電効率が向上する。
As described above, since the difference in pressure loss between the
また、図7に示される経路Kbのように、冷却水は、深い流路溝111と浅い流路溝211が交差する交差部T、及び深い流路溝210と浅い流路溝110が交差する交差部Sでも、発電領域に向かって真っ直ぐに流れることができるため、さらに圧力損失が低減される。
As shown in a path Kb shown in FIG. 7, the cooling water flows through an intersection T where the
図10は、C−C線に沿ったカソードセパレータ1及びアノードセパレータ2の断面図である。より具体的には、図10は、カソードセパレータ1側から斜視したときの断面の一部を示す。なお、C−C線は、矢印で示される冷却水の経路Kbに沿う。図10において、図8と共通する構成には同一の符号を付し、その説明は省略する。
FIG. 10 is a cross-sectional view of the
交差部Sにおいて、浅い流路溝110の底部110aと深い流路溝210の底部210aの間には、冷却水が流れる隙間Mが存在する。つまり、各流路溝110,210の底部110a,210aは間隔をおいて対向している。また、交差部Tにおいて、浅い流路溝211の底部211aと深い流路溝111の底部111aの間には、冷却水が流れる隙間Nが存在する。つまり、各流路溝111,211の底部111a,211aは間隔をおいて対向している。
At the intersection S, a gap M through which cooling water flows exists between the bottom 110a of the
このため、冷却水は、経路Kbに沿って、冷却水供給マニホルドから発電領域に向かって交差部S,Tにおける各隙間M,Nを通り真っ直ぐに流れることができる。これにより、冷却水の進路が変わる頻度が比較例より低減されるため、冷却水の圧力損失が低減される。 Therefore, the cooling water can flow straight through the gaps M and N at the intersections S and T from the cooling water supply manifold toward the power generation area along the route Kb. Accordingly, the frequency of changing the course of the cooling water is reduced as compared with the comparative example, so that the pressure loss of the cooling water is reduced.
上記のように、酸化剤ガスが流れる複数の流路溝110,111と燃料ガスが流れる複数の流路溝210,211が交差する複数の交差部Q,R,S,Tのうち、一部の交差部Q,S,Tにおいて流路溝110,111の底部110a,111aと流路溝210,211の底部210a,211aは、冷却水が各底部110a,111a,210a,211aの間を通過するように、間隔をおいて対向している。このため、冷却水が底部110a,111a,210a,211a同士の間の隙間を流れることにより、冷却水の進行方向を変える頻度が比較例より低減されるため、冷却水の圧力損失の増加が抑制される。
As described above, a part of the intersections Q, R, S, and T where the plurality of
本例において、カソードセパレータ1及びアノードセパレータ2のそれぞれに浅い流路溝110,211が設けられているが、浅い流路溝110,211はカソードセパレータ1及びアノードセパレータ2の一方だけに設けられてもよい。
In this example, the
図11は、他の実施例におけるB−B線に沿ったカソードセパレータ1及びアノードセパレータ2の断面図である。図11において、図6及び図8と共通する構成には同一の符号を付し、その説明は省略する。
FIG. 11 is a cross-sectional view of the
本例において、アノードセパレータ2は、比較例と同一の流路溝200,201を有する。このため、燃料ガスの流路溝200の深さは一様である。なお、流路溝200は第3流路溝の一例であり、流路溝201は第4流路溝の一例である。
In this example, the
流路溝200と深い流路溝111が交差する交差部Rにおいて、カソードセパレータ1とアノードセパレータ2の間の支持剛性が得られるように各流路溝111,200の底部111a,200a同士は接触する。また、流路溝200と浅い流路溝110が交差する交差部Qにおいて、各流路溝110,200の底部110a,200aの間には、冷却水が流れる隙間Kが存在する。つまり、各流路溝110,200の底部110a,200aは間隔をおいて対向している。
At the intersection R where the
したがって、図7に示される経路Kaのように、冷却水は、流路溝111,200の交差部Rを避けるように冷却水の流路溝112,201の交差部P’で進行方向を変えながら流れるが、流路溝110,200の交差部Qでは発電領域に向かって真っ直ぐに流れることができる。これにより、冷却水の進行方向を変える頻度が比較例より低減されるため、冷却水の圧力損失の増加が抑制される。
Therefore, like the route Ka shown in FIG. 7, the cooling water changes its traveling direction at the intersection P ′ of the cooling
上記のように、酸化剤ガスが流れる複数の流路溝110,111と燃料ガスが流れる複数の流路溝200が交差する複数の交差部Q,Rのうち、一部の交差部Qにおいて流路溝110の底部110aと流路溝200の底部200aは、冷却水が各底部110a,200aの間を通過するように間隔をおいて対向している。このため、冷却水が底部110a,200a同士の間の隙間Kを流れることにより、冷却水の進行方向を変える頻度が比較例より低減されるため、冷却水の圧力損失の増加が抑制される。
As described above, at some of the intersections Q and R where the plurality of
なお、本例ではアノードセパレータ2に一様な深さの流路溝200が設けられているが、これに代えて、カソードセパレータ1に比較例と同様の一様な深さの流路溝100が設けられてもよい。この場合、流路溝211は他の流路溝210より浅くなっているため、冷却水は流路溝211と流路溝100の底部211a,100aの間を流れることができ、冷却水の圧力損失の増加が抑制される。
In this example, the
また、上記の構成は、図2〜図3の符号P2で示された領域にも適用することができる。この場合、発電領域から冷却水排出マニホルドに向かう冷却水の圧力損失が低減されるため、冷却水の排出性能が向上する。 In addition, the above configuration can be applied to the area indicated by reference numeral P2 in FIGS. In this case, the pressure loss of the cooling water from the power generation area to the cooling water discharge manifold is reduced, and the cooling water discharge performance is improved.
また、各実施例において、カソードセパレータ1及びアノードセパレータ2の中流域流路溝群10a,20aはそれぞれストレート形状の流路溝を有するが、これに限定されず、カウンターフロー形状の流路溝を有してもよい。この場合、中流域流路溝群10a,20aにおいて、酸化剤ガスの流路溝と燃料ガスの流路溝が平面視で交差する交差部の一部に上記と同様の構成を適用してもよい。
Further, in each embodiment, the middle
また、上記の実施例では、流路溝110,111,210,211ごとに深さが異なるが、1つの流路溝において、酸化剤ガスまたは燃料ガスの流れる方向に沿って深さが変化してもよい。この場合、酸化剤ガス及び燃料ガスの各流路溝の交差部のうち、少なくとも一方の流路溝が浅い交差部では各流路溝の底部同士の間に隙間が存在するため、冷却水が交差部を流れることができ、上記と同様の効果が得られる。
Further, in the above embodiment, the depth differs for each of the
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 embodiment is 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 spirit of the present invention.
1 カソードセパレータ
2 アノードセパレータ
1a,1b,2a,2b 面
100,101,110〜112 流路溝
200,201,210〜212 流路溝
100a,101a,110a〜112a 底部
200a,201a,210a〜212a 底部
P〜T,P’ 交差部
DESCRIPTION OF
Claims (1)
燃料ガスが流れる複数の第3流路溝が一方の面に設けられ、前記複数の第3流路溝の間に前記冷却媒体が流れる複数の第4流路溝が他方の面に設けられた第2セパレータとを有し、
前記第1セパレータと前記第2セパレータは、前記複数の第2流路溝が設けられた面と前記複数の第4流路溝が設けられた面が対向するように重ね合わせられ、
平面視で前記複数の第1流路溝と前記複数の第3流路溝が交差する複数の交差部のうち、一部の交差部において、当該第1流路溝の底部と当該第3流路溝の底部の間を前記冷却媒体が通過するように、前記第1流路溝の底部と前記第3流路溝の底部が間隔をおいて対向していることを特徴とする燃料電池。 A plurality of first flow grooves through which the oxidizing gas flows are provided on one surface, and a plurality of second flow grooves through which the cooling medium flows between the plurality of first flow grooves are provided on the other surface. A first separator;
A plurality of third flow grooves through which the fuel gas flows are provided on one surface, and a plurality of fourth flow grooves through which the cooling medium flows are provided between the plurality of third flow grooves on the other surface. A second separator,
The first separator and the second separator are overlapped so that a surface provided with the plurality of second flow channels and a surface provided with the plurality of fourth flow channels face each other,
Among a plurality of intersections where the plurality of first passage grooves intersect with the plurality of third passage grooves in plan view, at some intersections, the bottom of the first passage groove and the third flow passage A fuel cell, wherein the bottom of the first flow path groove and the bottom of the third flow path groove face each other at an interval so that the cooling medium passes between the bottoms of the path grooves.
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