JP4191783B2 - 燃料電池用セパレータおよび燃料電池 - Google Patents
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Description
前記反応ガス通流領域には、
前記一様流れ部を少なくとも含んで形成されており、前記反応ガスが分流される流路溝群を有する複数の分流領域と、
前記1以上の折り返し部のうちの少なくとも1つに形成されており、前記反応ガスが混合するスペースとなる窪み部と、前記窪み部の底面から立設され島状に配置された複数の突起とを有しており、かつ、前記複数の分流領域のうちの隣り合う上流側の前記分流領域の流路溝群と下流側の前記流路領域の流路溝群との間に配置され、前記上流側の分流領域の流路溝群から流入する前記反応ガスを前記窪み部で合流させ、前記合流させた後の前記反応ガスを前記下流側の分流領域へ再び分流させる1以上の合流領域と、
が設けられており、
前記合流領域の前記窪み部に接続される前記上流側の前記分流領域と前記下流側の前記分流領域と、において、前記上流側の前記分流領域の前記流路溝群の溝数が、前記下流側の前記分流領域の前記流路溝群の溝数と同一になるように形成されており、
前記合流領域の前記窪み部は、当該窪み部が形成されている前記反応ガス通流領域の前記折り返し部において、前記窪み部に連通する前記一対の前記上流側の流路溝群および前記下流側の流路溝群との間の斜めの境界および前記折り返し部の外端により区画され、
前記主面の法線方向からみた場合、前記複数の突起は、1以上の前記突起が前記外端の延在方向に間隔を置いて連なる列を複数形成するとともに、1以上の前記突起が前記外端の延在方向に対し垂直な方向に間隔を置いて連なる段を複数形成するように配置されており、かつ、1つの前記段を構成する突起に案内されて前記外端の延在方向に進む反応ガスの流れが、前記1つの段に隣接する段を構成する突起により乱されるように構成されている、
燃料電池用セパレータを提供する。
外部から前記反応ガスを前記反応ガス通流領域に供給するガス入口マニホールドと、
前記反応ガス通流領域から排出されるガスを外部に排出するガス出口マニホールドと、
を有しており、
前記複数の分流領域のうちで最も上流側に配置される分流領域の前記一様流れ部が、前記ガス入口マニホールドに接続されていることが好ましい。
外部から前記反応ガスを前記反応ガス通流領域に供給するガス入口マニホールドと、
前記反応ガス通流領域から排出されるガスを外部に排出するガス出口マニホールドと、
を有しており、
前記複数の分流領域のうちで最も上流側に配置される分流領域が前記合流領域の形成されていない前記折り返し部を有しており、当該折り返し部が前記ガス入口マニホールドに接続されていてもよい。
前記複数の分流領域のうちで最も下流側に配置される分流領域が前記合流領域の形成されていない前記折り返し部を有しており、当該折り返し部が前記ガス出口マニホールドに接続されていてもよい。
前記反応ガス通流領域には、
前記一様流れ部を少なくとも含んで形成されており、前記反応ガスが分流される流路溝群を有する複数の分流領域と、
前記1以上の折り返し部のうちの少なくとも1つに形成されており、前記反応ガスが混合するスペースとなる窪み部と、前記窪み部の底面から立設され島状に配置された複数の突起とを有しており、かつ、前記複数の分流領域のうちの隣り合う上流側の前記分流領域の流路溝群と下流側の前記流路領域の流路溝群との間に配置され、前記上流側の分流領域の流路溝群から流入する前記反応ガスを前記窪み部で合流させ、前記合流させた後の前記反応ガスを前記下流側の分流領域へ再び分流させる1以上の合流領域と、
が設けられており、
前記合流領域の前記窪み部に接続される前記上流側の前記分流領域と前記下流側の前記分流領域とにおいて、前記上流側の前記分流領域の前記流路溝群の溝数が、前記下流側の前記分流領域の前記流路溝群の溝数と同一になるように形成されており、
前記合流領域の前記窪み部は、当該窪み部が形成されている前記反応ガス通流領域の前記折り返し部において、前記窪み部に連通する前記一対の前記上流側の流路溝群および前記下流側の流路溝群との間の斜めの境界および前記折り返し部の外端により区画され、
前記主面の法線方向からみた場合、
前記外端は、前記窪み部側に突出する外端突片を、その途中に形成するよう湾曲している、
燃料電池用セパレータを提供する。
アノードセパレータと、カソードセパレータと、前記アノードセパレータと前記カソードセパレータとの間に配置される膜電極接合体と、を有しており、
前記アノードセパレータと前記膜電極接合体と前記カソードセパレータとを含む積層単位を1以上有しており、
上述の本発明の燃料電池用セパレータが前記アノードセパレータ及び前記カソードセパレータとして組み込まれており、
前記アノードセパレータに供給される前記反応ガスが還元剤ガスであり、前記カソードセパレータに供給される前記反応ガスが酸化剤ガスである、
燃料電池を提供する。
本流体シミュレーションは、熱流体解析汎用ソフトウェア『米国fluent社製の熱流体解析ソフト;「FLUENT」(登録商標)、バージョン:6.2.16』を使用にして実行された。
<解析モデル>
ここでは、セパレータの流路折りし返し周辺部について、図5に示す如く、千鳥配置の円柱状突起および窪み部の底辺における突片を採用した解析モデル(以下、「実施形態の解析モデル」という)と、直交格子状配置の円柱状突起を採用した解析モデル(以下、「比較例の解析モデル」という)と、がモデリングされている。
<解析結果>
図11および図12は各々、上記各解析モデルによる各要素の流れデータを元に、コンピュータ上に出力された解析結果例を模写した図である。
ここまで、実施形態(図5、図9)において、複数の円柱状突起27、37が千鳥に規則的に並ぶように配置させた流路折り返し周辺部(窪み部)の突起配置例(以下、「千鳥配列」と略す)を述べた。また、比較例(図10)において、複数の円柱状突起47が直交格子状に並ぶように配置させた流路折り返し周辺部(窪み部)の突起配置例(以下、「格子配列」と略す)を述べた。
図13は、第1変形例の流路折り返し周辺部の構成を平面視した図である。
図14は、第2変形例の流路折り返し周辺部の構成を平面視した図である。
図15は、第3変形例の流路折り返し周辺部の構成を平面視した図である。
図16は、第4変形例の流路折り返し周辺部の構成を平面視した図である。
図17は、第5変形例の流路折り返し周辺部の構成を平面視した図である。
図17によれば、燃料ガス流路溝115(凹部115)に連通する窪み部118は、流路折り返し周辺部の外端としての上下方向に直線状に延びる底辺118aと、上下流側の燃料ガス流路溝115との境界としての一対の斜辺118b、118cとにより、略三角形状に区画されている。
2 アノードセパレータ
3 カソードセパレータ
4 ボルト孔
5 電極部
6 高分子電解質膜
6a 周縁部
10 燃料電池
12A、12B 燃料ガスマニホールド孔
13A、13B 酸化剤ガスマニホールド孔
14A、14B 水マニホールド孔
21 燃料ガス分流領域の集合体
21A 第1の燃料ガス分流領域
21B 第2の燃料ガス分流領域
21C 第3の燃料ガス分流領域
21D 第4の燃料ガス分流領域
22 燃料ガス合流領域の集合体
22A 第1の燃料ガス合流領域
22B 第2の燃料ガス合流領域
22C 第3の燃料ガス合流領域
25 燃料ガス流路溝(凹部)
26、36 凸部
27、37 円柱状突起
28、38 窪み部
28a、38a 底辺
28b、28c、38b、38c 斜辺
31 酸化剤ガス分流領域の集合体
31A 第1の酸化剤ガス分流領域
31B 第2の酸化剤ガス分流領域
31C 第3の酸化剤ガス分流領域
31D 第4の酸化剤ガス分流領域
31E 第5の酸化剤ガス分流領域
32 酸化剤ガス合流領域の集合体
32A 第1の酸化剤ガス合流領域
32B 第2の酸化剤ガス合流領域
32C 第3の酸化剤ガス合流領域
32D 第4の酸化剤ガス合流領域
35 酸化剤ガス流路溝(凹部)
40 端板
100 燃料電池スタック
101 燃料ガス通流領域
102 酸化剤ガス通流領域
201、202 領域
601、701 折り返し部
602、702 直線部(一様流れ部)
P1、P2、P3、P4 ピッチ
D1、D2、D3、D4 段差
W1、W2、W3、W4 幅
Claims (24)
- 板状に形成され、かつ、少なくとも一方の主面に反応ガスが通流する反応ガス通流領域が、前記反応ガスが一方向に流れる複数の一様流れ部と、当該複数の一様流れ部の間に設けられ、前記反応ガスが折り返すように流れる1以上の折り返し部と、を有するサーペンタイン状に形成されており、
前記反応ガス通流領域には、
前記一様流れ部を少なくとも含んで形成されており、前記反応ガスが分流される流路溝群を有する複数の分流領域と、
前記1以上の折り返し部のうちの少なくとも1つに形成されており、前記反応ガスが混合するスペースとなる窪み部と、前記窪み部の底面から立設され島状に配置された複数の突起とを有しており、かつ、前記複数の分流領域のうちの隣り合う上流側の前記分流領域の流路溝群と下流側の前記流路領域の流路溝群との間に配置され、前記上流側の分流領域の流路溝群から流入する前記反応ガスを前記窪み部で合流させ、前記合流させた後の前記反応ガスを前記下流側の分流領域へ再び分流させる1以上の合流領域と、
が設けられており、
前記合流領域の前記窪み部に接続される前記上流側の前記分流領域と前記下流側の前記分流領域と、において、前記上流側の前記分流領域の前記流路溝群の溝数が、前記下流側の前記分流領域の前記流路溝群の溝数と同一になるように形成されており、
前記合流領域の前記窪み部は、当該窪み部が形成されている前記反応ガス通流領域の前記折り返し部において、前記窪み部に連通する前記一対の前記上流側の流路溝群および前記下流側の流路溝群との間の斜めの境界および前記折り返し部の外端により区画され、
前記主面の法線方向からみた場合、前記複数の突起は、1以上の前記突起が前記外端の延在方向に間隔を置いて連なる列を複数形成するとともに、1以上の前記突起が前記外端の延在方向に対し垂直な方向に間隔を置いて連なる段を複数形成するように配置されており、かつ、1つの前記段を構成する突起に案内されて前記外端の延在方向に進む反応ガスの流れが、前記1つの段に隣接する段を構成する突起により乱されるように構成されている、燃料電池用セパレータ。 - 前記主面の略法線方向からみた場合、前記合流領域の前記窪み部と当該窪み部に接続されている上流側の前記分流領域及び下流側の前記分流領域との境界が、前記外端を底辺とし、前記底辺の両端から前記窪み部に接続される上流側の前記分流領域と当該窪み部に接続される下流側の前記分流領域との境界線上近傍に位置する頂点に向けて弓形に突出した形状となるように形成されている、請求項1記載の燃料電池用セパレータ。
- 前記弓形に突出した形状が略三角形状である請求項2記載の燃料電池用セパレータ。
- 前記弓形に突出した形状が略半円形状である請求項2記載の燃料電池用セパレータ。
- 前記分流領域が、前記一様流れ部と前記折り返し部とを含んで形成されており、かつ、前記一様流れ部の流路溝の溝数と、当該一様流れ部に接続される前記折り返し部の流路溝の溝数とが同数となるように形成されている、請求項1記載の燃料電池用セパレータ。
- 外部から前記反応ガスを前記反応ガス通流領域に供給するガス入口マニホールドと、
前記反応ガス通流領域から排出されるガスを外部に排出するガス出口マニホールドと、
を有しており、
前記複数の分流領域のうちで最も上流側に配置される分流領域の前記一様流れ部が、前記ガス入口マニホールドに接続されている、
請求項1記載の燃料電池用セパレータ。 - 前記複数の分流領域のうちで最も下流側に配置される分流領域の前記一様流れ部が、前記ガス出口マニホールドに接続されている、請求項6記載の燃料電池用セパレータ。
- 前記複数の分流領域のうちで最も下流側に配置される分流領域が前記合流領域の形成されていない前記折り返し部を有しており、当該折り返し部が前記ガス出口マニホールドに接続されている、請求項6記載の燃料電池用セパレータ。
- 外部から前記反応ガスを前記反応ガス通流領域に供給するガス入口マニホールドと、
前記反応ガス通流領域から排出されるガスを外部に排出するガス出口マニホールドと、を有しており、
前記複数の分流領域のうちで最も上流側に配置される分流領域が前記合流領域の形成されていない前記折り返し部を有しており、当該折り返し部が前記ガス入口マニホールドに接続されている、
請求項1記載の燃料電池用セパレータ。 - 前記複数の分流領域のうちで最も下流側に配置される分流領域の前記一様流れ部が、前記ガス出口マニホールドに接続されている、請求項9記載の燃料電池用セパレータ。
- 前記複数の分流領域のうちで最も下流側に配置される分流領域が前記合流領域の形成されていない前記折り返し部を有しており、当該折り返し部が前記ガス出口マニホールドに接続されている、請求項9記載の燃料電池用セパレータ。
- 前記主面の略法線方向からみた場合、前記分流領域に対応する前記セパレータの表面には、前記流路溝群を横断する方向において、均等幅、均等ピッチかつ均等段差の複数の凹部と、均等幅、均等ピッチかつ均等段差の複数の凸部と、により構成される凹凸パターンが形成され、
前記凹部は前記流路溝群の流路溝であり、前記凸部は前記主面に当接する電極部を支持するリブであり、
前記複数の突起が、前記リブの延長線上に配置されている、請求項1記載の燃料電池用セパレータ。 - 前記主面の略法線方向からみた場合、互いに隣接して1つの段を構成するように並んだ一対の突起間の中心を通り、かつ前記外端の延在方向に平行な仮想線を引いた場合、前記一対の突起に対し前記延在方向において隣接する一対の突起間の中心が、前記仮想線から前記延在方向に対し垂直な方向に偏倚している、請求項1記載の燃料電池用セパレータ。
- 前記複数の突起は、各々の前記列が1つ置きの前記段を構成する前記突起で構成されている、請求項13記載の燃料電池用セパレータ。
- 各々の前記突起が略円柱形に形成されている場合、前記突起は各段において、前記突起の円形断面の略直径分の間隔を開けて配置され、前記突起は各列において、略直径分の3倍分の間隔を開けて配置されている、請求項14記載の燃料電池用セパレータ。
- 前記突起は、略円柱形、略三角柱形及び略四角柱形の中から選ばれる少なくとも一種の形状を有している、請求項13乃至15の何れかに記載の燃料電池用セパレータ。
- 前記主面の略法線方向からみた場合、前記延在方向及び/または前記垂直な方向の幅寸法を違えた、第1突起及び第2突起が前記外端の延在方向に対し垂直な方向に間隔を置いて連なる段を複数形成するように配置されている、請求項1記載の燃料電池用セパレータ。
- 前記第1突起及び第2突起は、略円柱形、略三角柱形及び略四角柱形の中から選ばれる少なくとも一種の形状を有している、請求項17記載の燃料電池用セパレータ。
- 板状に形成され、かつ、少なくとも一方の主面に反応ガスが通流する反応ガス通流領域が、前記反応ガスが一方向に流れる複数の一様流れ部と、当該複数の一様流れ部の間に設けられ、前記反応ガスが折り返すように流れる1以上の折り返し部と、を有するサーペンタイン状に形成されており、
前記反応ガス通流領域には、
前記一様流れ部を少なくとも含んで形成されており、前記反応ガスが分流される流路溝群を有する複数の分流領域と、
前記1以上の折り返し部のうちの少なくとも1つに形成されており、前記反応ガスが混合するスペースとなる窪み部と、前記窪み部の底面から立設され島状に配置された複数の突起とを有しており、かつ、前記複数の分流領域のうちの隣り合う上流側の前記分流領域の流路溝群と下流側の前記流路領域の流路溝群との間に配置され、前記上流側の分流領域の流路溝群から流入する前記反応ガスを前記窪み部で合流させ、前記合流させた後の前記反応ガスを前記下流側の分流領域へ再び分流させる1以上の合流領域と、
が設けられており、
前記合流領域の前記窪み部に接続される前記上流側の前記分流領域と前記下流側の前記分流領域とにおいて、前記上流側の前記分流領域の前記流路溝群の溝数が、前記下流側の前記分流領域の前記流路溝群の溝数と同一になるように形成されており、
前記合流領域の前記窪み部は、当該窪み部が形成されている前記反応ガス通流領域の前記折り返し部において、前記窪み部に連通する前記一対の前記上流側の流路溝群および前記下流側の流路溝群との間の斜めの境界および前記折り返し部の外端により区画され、
前記主面の法線方向からみた場合、
前記外端は、前記窪み部側に突出する外端突片を、その途中に形成するよう湾曲している、燃料電池用セパレータ。 - 前記主面の法線方向からみた場合、前記分流領域に対応する前記セパレータの表面には、前記流路溝群を横断する方向において、均等幅、均等ピッチかつ均等段差の複数の凹部と、均等幅、均等ピッチかつ均等段差の複数の凸部と、により構成される凹凸パターンが形成され、
前記凹部は前記流路溝群の流路溝であり、前記凸部は前記主面に当接する電極部を支持するリブであり、
前記複数の突起が、前記リブの延長線上に配置されている、請求項19記載の燃料電池用セパレータ。 - 各々の前記突起が略円柱形に形成されている場合、前記突起と前記リブとの間、前記突起と前記外端突片との間および前記リブと前記外端との間の第1の距離は、前記突起同士の間の第2の距離よりも狭く形成されている、請求項20記載の燃料電池用セパレータ。
- 前記第1および第2の距離を一定と仮定した際の前記第1の距離を横切って流れる反応ガスの流速と前記第1の距離との積が、前記第1および第2の距離を一定と仮定した際の前記第2の距離を横切って流れる前記反応ガスの流速と前記第2の距離との積に略一致するよう、前記第1および第2の距離は設定されている、請求項21記載の燃料電池用セパレータ。
- 前記複数の突起は、1以上の前記突起が前記外端の延在方向に間隔を置いて連なる列を複数形成するとともに1以上の前記突起が前記外端の延在方向に対し垂直な方向に間隔を置いて連なる段を複数形成するように配置されており、各々の前記列が1つ置きの前記段を構成する前記突起で構成されている、請求項19乃至22記載の何れかに燃料電池用セパレータ。
- アノードセパレータと、カソードセパレータと、前記アノードセパレータと前記カソードセパレータとの間に配置されている膜電極接合体と、を有しており、
請求項1乃至23のうちの何れかに1項に記載された燃料電池用セパレータが前記アノードセパレータおよび前記カソードセパレータとして組み込まれており、
前記アノードセパレータに供給される前記反応ガスが還元剤ガスであり、前記カソードセパレータに供給される前記反応ガスが酸化剤ガスである、燃料電池。
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