JP4635465B2 - Fuel cell and gas separator for fuel cell - Google Patents
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Description
この発明は、燃料電池および燃料電池用ガスセパレータに関する。 The present invention relates to a fuel cell and a fuel cell gas separator.
燃料電池においては、電気化学反応の進行に伴ってカソードで水が生じ、生じた生成水はカソードに給排される酸化ガス中に気化する。そのため、酸化ガスの流路においては、生成水が凝縮して酸化ガスの流れを妨げるなどの不都合が生じるのを防止するために、生じた生成水を酸化ガスの流路から積極的に除去する構成を設けることが望ましい。なお、凝縮水の問題は、酸化ガスの流路においてのみ生じるわけではなく、アノードに供給される燃料ガスの流路においても、電解質層を介して酸化ガス流路側から混入する水蒸気や、予め燃料ガスが含有する水蒸気などに起因して生じ得る問題である。このように、凝縮水の問題は、電気化学反応に供する反応ガスの流路に共通する問題であった。 In the fuel cell, water is generated at the cathode as the electrochemical reaction proceeds, and the generated water is vaporized into the oxidizing gas supplied to and discharged from the cathode. Therefore, in the oxidizing gas flow path, the generated water is positively removed from the oxidizing gas flow path in order to prevent inconveniences such as generation water condensing and preventing the flow of the oxidizing gas. It is desirable to provide a configuration. Note that the problem of condensed water does not occur only in the oxidizing gas flow path, but also in the fuel gas flow path supplied to the anode, the water vapor mixed from the oxidizing gas flow path side through the electrolyte layer or the fuel in advance This is a problem that may occur due to water vapor contained in the gas. Thus, the problem of the condensed water is a problem common to the flow path of the reaction gas used for the electrochemical reaction.
特許文献1では、積層された単セル間に配設されたガスセパレータを貫通する貫通孔を透水性の樹脂で封孔し、ガスセパレータと電極間に形成される流路を酸化ガス流路とすることで、透水性樹脂を介して酸化ガスからの水の排出を可能にする構成が開示されている。上記ガスセパレータを介して酸化ガス流路に隣接するガス流路が、燃料ガス流路であれば、酸化ガス中の水分を利用して燃料ガスの加湿が可能となる。また、上記ガスセパレータを介して酸化ガス流路に隣接するガス流路が、酸化ガス流路に導入する前の酸化ガスが流れる流路であれば、酸化ガス中の水分を利用して、酸化ガス流路に導入する前の酸化ガスを加湿することができる。 In Patent Document 1, a through-hole penetrating a gas separator disposed between stacked single cells is sealed with a water-permeable resin, and a channel formed between the gas separator and the electrode is defined as an oxidizing gas channel. Thus, a configuration that enables discharge of water from the oxidizing gas via the water-permeable resin is disclosed. If the gas channel adjacent to the oxidizing gas channel via the gas separator is a fuel gas channel, the fuel gas can be humidified using moisture in the oxidizing gas. Further, if the gas channel adjacent to the oxidizing gas channel through the gas separator is a channel through which the oxidizing gas before being introduced into the oxidizing gas channel flows, the moisture in the oxidizing gas is used to oxidize the gas channel. The oxidizing gas before being introduced into the gas flow path can be humidified.
しかしながら、上記特許文献1の構成によれば、カソードで生じた生成水を透水性樹脂を介して冷却水流路側に排出する効率は、燃料電池に供給される酸化ガスの流速等の影響を受けるため、水の排出効率が不十分となる場合があった。 However, according to the configuration of Patent Document 1 described above, the efficiency of discharging the generated water generated at the cathode to the cooling water flow path via the water-permeable resin is affected by the flow rate of the oxidizing gas supplied to the fuel cell. In some cases, the water discharge efficiency is insufficient.
本発明は、上述した従来の課題を解決するためになされたものであり、燃料電池において、ガスセパレータを介してガス流路中の水分を排出させる際に、水分排出の効率を向上させることを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described conventional problems. In a fuel cell, when water in a gas flow path is discharged through a gas separator, the efficiency of water discharge is improved. Objective.
上記目的を達成するために、本発明の第1の燃料電池は、
電解質層と、
該電解質層との間に電極を挟んで隣接し、
電気化学反応で利用する反応ガスが流れる反応ガス流路を形成する第1の面と、冷却ガスが流れる冷却ガス流路を形成する第2の面とを有すると共に、
ガス不透過な緻密部材から成る基材を備える緻密領域と、前記反応ガス流路と前記冷却ガス流路との間を連絡するように設けられた多孔質領域とを有し、
前記第1の面では、前記反応ガス流路として、前記緻密領域に形成される流路と前記多孔質領域に形成される流路とが連続して成る流路を形成するガスセパレータと、
を備え、さらに、
前記多孔質領域に形成される前記反応ガス流路において、前記緻密領域に形成される前記反応ガス流路に比べて、前記反応ガスの流れによる該反応ガスの流れ方向への水分の移動を抑える水分排出抑制部として、前記多孔質領域に形成される前記反応ガス流路における前記反応ガスの流速を、前記緻密領域に形成される前記反応ガス流路における前記反応ガスの流速に比べて低下させる流速低下部を備えることを要旨とする。
In order to achieve the above object, the first fuel cell of the present invention comprises:
An electrolyte layer;
Adjacent the electrode between the electrolyte layer,
Having a first surface that forms a reaction gas flow path through which a reaction gas used in an electrochemical reaction flows, and a second surface that forms a cooling gas flow path through which a cooling gas flows;
A dense region comprising a substrate made of gas-impermeable dense member, and a porous region provided so as to contact between the cooling gas flow path and the reaction gas channel possess,
In the first surface, as the reaction gas flow path, a gas separator that forms a flow path in which a flow path formed in the dense area and a flow path formed in the porous area are continuously formed ;
In addition,
The reaction gas flow path formed in the porous region suppresses the movement of moisture in the flow direction of the reaction gas due to the flow of the reaction gas, compared to the reaction gas flow channel formed in the dense region. and a water discharge suppression unit, wherein the porous flow rate of the reaction gas in the reaction gas flow paths formed in the region, compared to the flow velocity of the reaction gas in the reaction gas channel formed in the dense region The gist is to provide a flow velocity lowering portion to be reduced .
以上のように構成された本発明の第1の燃料電池によれば、多孔質領域に形成される反応ガス流路において、緻密領域に形成される反応ガス流路に比べて、反応ガスの流れによるガスの流れ方向への水分の移動が抑えられるため、多孔質領域では反応ガス流路内に水分が留まりやすくなる。したがって、多孔質領域を介した反応ガス流路から冷却ガス流路への水分の移動効率を向上させることができる。このとき、反応ガス流路における反応ガスの流速を、多孔質領域では緻密領域に比べて低下させることで、多孔質領域において、反応ガスの流れによるガスの流れ方向への水分の移動を緻密領域に比べて抑えることができる。 According to the first fuel cell of the present invention configured as described above, in the reaction gas flow path formed in the porous region, the flow of the reaction gas compared to the reaction gas flow channel formed in the dense region. Since the movement of moisture in the gas flow direction due to is suppressed, moisture tends to stay in the reaction gas flow path in the porous region. Therefore, it is possible to improve the efficiency of moisture transfer from the reaction gas channel to the cooling gas channel via the porous region. At this time, by reducing the flow rate of the reaction gas in the reaction gas flow path as compared with the dense region in the porous region, the movement of moisture in the gas flow direction due to the flow of the reaction gas in the porous region is reduced in the dense region. Can be suppressed compared to.
このような本発明の第1の燃料電池において、前記流速低下部は、前記緻密領域に形成される前記反応ガス流路の流路断面よりも流路断面が大きく形成された前記多孔質領域における前記反応ガス流路であることとしても良い。 In such a first fuel cell of the present invention, the flow velocity reduction portion is in the porous region having a channel cross-section formed larger than the channel cross-section of the reaction gas channel formed in the dense region. The reaction gas flow path may be used.
このように、多孔質領域の反応ガス流路を、緻密領域の反応ガス流路に比べて流路断面積を大きく形成することで、多孔質領域において、反応ガスの流速を緻密領域に比べて低下させることができる。 In this way, the reaction gas flow path in the porous region has a larger cross-sectional area than the reaction gas flow path in the dense region, so that the flow velocity of the reaction gas in the porous region is larger than that in the dense region. Can be reduced.
このような本発明の第1の燃料電池において、
前記ガスセパレータは、前記第1の面に、前記緻密領域および前記多孔質領域にわたって、前記ガス流路を形成するための凹部を有し、
前記流速低下部は、前記緻密領域に設けられた前記凹部に比べて深く形成されている前記多孔質領域に設けられた前記凹部によって形成される前記反応ガス流路であることとしても良い。
In such a first fuel cell of the present invention,
The gas separator has a recess for forming the gas flow path over the dense region and the porous region on the first surface,
The flow velocity reduction portion may be the reaction gas flow path formed by the concave portion provided in the porous region that is formed deeper than the concave portion provided in the dense region.
このような構成によれば、多孔質領域に形成される反応ガス流路が、緻密領域に形成される反応ガス流路に比べて流路断面積が大きい構成を、容易に実現することができる。 According to such a configuration, it is possible to easily realize a configuration in which the reaction gas channel formed in the porous region has a larger channel cross-sectional area than the reaction gas channel formed in the dense region. .
本発明の第2の燃料電池は、
燃料電池であって、
電解質層と、
該電解質層との間に電極を挟んで隣接し、
電気化学反応で利用する反応ガスが流れる反応ガス流路を形成する第1の面と、冷却ガスが流れる冷却ガス流路を形成する第2の面とを有すると共に、
ガス不透過な緻密部材から成る基材を備える緻密領域と、前記反応ガス流路と前記冷却ガス流路との間を連絡するように設けられた多孔質領域とを有し、
前記第1の面では、前記反応ガス流路として、前記緻密領域に形成される流路と前記多孔質領域に形成される流路とが連続して成る流路を形成するガスセパレータと、
を備え、さらに、
前記多孔質領域に形成される前記反応ガス流路において、前記緻密領域に形成される前記反応ガス流路に比べて、前記反応ガスの流れによる該反応ガスの流れ方向への水分の移動を抑える水分排出抑制部として、所定方向に向かう前記反応ガスの流れを、前記多孔質領域に形成される前記反応ガス流路において妨げるガス流妨害部を備えることを要旨とする。
The second fuel cell of the present invention comprises:
A fuel cell,
An electrolyte layer;
Adjacent the electrode between the electrolyte layer,
Having a first surface that forms a reaction gas flow path through which a reaction gas used in an electrochemical reaction flows, and a second surface that forms a cooling gas flow path through which a cooling gas flows;
A dense region comprising a base material composed of a gas-impermeable dense member, and a porous region provided so as to communicate between the reaction gas channel and the cooling gas channel;
In the first surface, as the reaction gas flow path, a gas separator that forms a flow path in which a flow path formed in the dense area and a flow path formed in the porous area are continuously formed;
In addition,
The reaction gas flow path formed in the porous region suppresses the movement of moisture in the flow direction of the reaction gas due to the flow of the reaction gas, compared to the reaction gas flow channel formed in the dense region. The gist of the present invention is to provide a gas flow obstructing unit that prevents the flow of the reaction gas toward a predetermined direction in the reaction gas flow path formed in the porous region as the moisture discharge suppressing unit .
このような構成とすれば、所定方向に向かう反応ガスの流れを妨げることで、反応ガスの流れによるガスの流れ方向への水分の移動を妨げ、反応ガス流路からの水分の排出を抑えることができる。また、所定方向に向かう反応ガスの流れを妨げることで、反応ガス流路内で反応ガスの流れを攪拌することができ、発電時のガス利用率を向上させることが可能となる。 With such a configuration, by preventing the flow of the reaction gas in a predetermined direction, the movement of moisture in the gas flow direction due to the flow of the reaction gas is prevented, and the discharge of moisture from the reaction gas flow path is suppressed. Can do. Further, by preventing the flow of the reaction gas toward the predetermined direction, the flow of the reaction gas can be stirred in the reaction gas flow path, and the gas utilization rate during power generation can be improved.
このような本発明の第2の燃料電池において、
前記ガスセパレータは、前記第1の面において、前記緻密領域に、前記反応ガス流路を形成するための凹部を形成すると共に、前記多孔質領域に、前記反応ガス流路を形成して内部を前記反応ガスが通過する多孔質部を有し、
前記ガス流妨害部は、前記凹部に連続して設けられた前記多孔質部であることとしても良い。
In such a second fuel cell of the present invention,
The gas separator has a concave portion for forming the reaction gas flow channel in the dense region on the first surface, and the reaction gas flow channel is formed in the porous region to form an interior. A porous portion through which the reaction gas passes;
The gas flow obstructing part may be the porous part provided continuously to the concave part.
このような場合には、凹部によって形成される反応ガス流路を通過した反応ガスが多孔質部内を流れることで、反応ガスの流れが妨げられ、反応ガスの流れによるガスの流れ方向への水分の移動が抑えられる。 In such a case, the reaction gas that has passed through the reaction gas flow path formed by the recess flows in the porous portion, thereby preventing the reaction gas flow, and moisture in the gas flow direction due to the reaction gas flow. Movement is suppressed.
本発明の第1または第2の燃料電池において、
前記冷却ガス流路と前記反応ガス流路とを接続し、前記冷却ガス流路を通過した冷却ガスを前記反応ガスとして前記反応ガス流路に導く接続流路をさらに備えることとしても良い。
In the first or second fuel cell of the present invention,
It is good also as a connection channel which connects the cooling gas channel and the reaction gas channel, and guides the cooling gas which passed through the cooling gas channel to the reaction gas channel as the reaction gas.
このような構成とすれば、反応ガスと同種のガスを冷却ガスとして用いることになるため、多孔質領域を介して反応ガスと冷却ガスとが混じり合うことがあっても、異種のガスが混入することに起因する不都合が生じることがない。また、上記構成によれば、予め冷却ガス流路を通過させることによって、電気化学反応に供する反応ガスを加湿することができる。したがって、本発明を固体高分子型燃料電池に適用する場合には、反応ガスが流入する流入部付近の領域において、電解質膜が乾燥するのを防止することができる。これにより、燃料電池に供給する反応ガスを加湿するための装置を不要としたり、加湿装置を小型化することが可能となる。 In such a configuration, the same kind of gas as the reaction gas is used as the cooling gas. Therefore, even if the reaction gas and the cooling gas may be mixed through the porous region, different types of gas are mixed. There is no inconvenience caused by doing this. Moreover, according to the said structure, the reaction gas used for an electrochemical reaction can be humidified by letting a cooling gas flow path pass beforehand. Therefore, when the present invention is applied to a polymer electrolyte fuel cell, it is possible to prevent the electrolyte membrane from drying in the region near the inflow portion where the reaction gas flows. As a result, it is possible to eliminate the need for a device for humidifying the reaction gas supplied to the fuel cell, and to reduce the size of the humidifier.
本発明の第1または第2の燃料電池において、前記反応ガスは、酸素を含有する酸化ガスであることとしても良い。このような構成とすれば、カソードで生じた生成水を含有する酸化ガスが流れる流路から、多孔質領域を介して、効率良く水分を排出することができる。 In the first or second fuel cell of the present invention, the reaction gas may be an oxidizing gas containing oxygen. With such a configuration, moisture can be efficiently discharged from the flow path through which the oxidizing gas containing the generated water generated at the cathode flows through the porous region.
本発明の第1または第2の燃料電池において、前記多孔質領域は、前記緻密領域に形成される前記反応ガス流路に比べて、下流側の前記反応ガス流路を形成することとしても良い。反応ガス流路を流れる反応ガス中に水が気化することにより、反応ガス流路の下流ほど、反応ガス流路中の水分量が多くなる。したがって、含有水分量が多くなる領域に多孔質領域を設けることで、反応ガス流路からの多孔質領域を介した排水の効率を向上させることができる。 In the first or second fuel cell of the present invention, the porous region may form the reaction gas channel downstream of the reaction gas channel formed in the dense region. . When water is vaporized in the reaction gas flowing through the reaction gas channel, the amount of water in the reaction gas channel increases toward the downstream of the reaction gas channel. Therefore, by providing the porous region in the region where the water content is increased, the efficiency of drainage from the reaction gas channel through the porous region can be improved.
本発明の第1または第2の燃料電池は、さらに、
前記多孔質領域における前記冷却ガス流路の下流側に対応する領域に、前記反応ガス流路内での水分の滞留を防止する水分滞留防止部として、前記冷却ガス流路の上流側に対応する領域に形成された前記反応ガス流路に比べて流路断面積が小さく形成された前記反応ガス流路を備えることとしても良い。
The first or second fuel cell of the present invention further includes
In the porous region, the region corresponding to the downstream side of the cooling gas channel corresponds to the upstream side of the cooling gas channel as a moisture retention preventing part for preventing the retention of moisture in the reaction gas channel. It is good also as providing the said reactive gas flow path in which the flow-path cross-sectional area was formed small compared with the said reactive gas flow path formed in the area | region .
冷却ガス流路では多孔質領域を介して反応ガス流路側から水分が供給されるため、下流側ほど冷却ガスが含有する水分量が多くなり、冷却ガス流路の下流側ほど、多孔質領域を介した反応ガス流路から冷却ガス流路への水分移動の効率が低下する。したがって、上記構成とすることで、反応ガス流路において、水分移動の効率が悪い冷却ガス流路の下流側に対応する領域で水分が滞留することに起因する不都合を防止可能となる。 In the cooling gas channel, moisture is supplied from the reaction gas channel side through the porous region, so that the amount of moisture contained in the cooling gas increases toward the downstream side, and the porous region decreases toward the downstream side of the cooling gas channel. The efficiency of moisture transfer from the reaction gas channel to the cooling gas channel is reduced. Therefore, with the above-described configuration, it is possible to prevent inconvenience caused by moisture remaining in a region corresponding to the downstream side of the cooling gas channel having a low moisture transfer efficiency in the reaction gas channel.
このとき、上記構成では、冷却ガス流路の下流側に対応する領域では、冷却ガス流路の上流側に対応する領域に比べて反応ガスの流速が速くなるため、反応ガス流路内での水分の滞留を防止することができる。 At this time, in the above configuration, in the region corresponding to the downstream side of the cooling gas channel, the flow rate of the reactive gas is higher than that in the region corresponding to the upstream side of the cooling gas channel. Moisture retention can be prevented.
本発明の第1または第2の燃料電池において、
前記冷却ガス流路は、前記ガスセパレータの前記第2の面において、前記多孔質領域内に形成されており、
前記燃料電池は、さらに、
前記冷却ガス流路の上流側に比べて下流側で、前記多孔質領域を介した前記反応ガス流路から前記冷却ガス流路への水分の移動を促進する水分移動促進部として、前記冷却ガス流路の上流側よりも下流側において冷却ガスの流速を速くする冷却ガス流速調整部を備えることとしても良い。
In the first or second fuel cell of the present invention,
The cooling gas flow path is formed in the porous region on the second surface of the gas separator,
The fuel cell further includes:
The cooling gas as a moisture movement promoting part that promotes the movement of moisture from the reaction gas channel to the cooling gas channel via the porous region on the downstream side compared to the upstream side of the cooling gas channel. A cooling gas flow rate adjusting unit that increases the flow rate of the cooling gas on the downstream side of the upstream side of the flow path may be provided.
このような構成とすれば、冷却ガスが含有する水分量が多くなり、多孔質領域を介した反応ガス流路から冷却ガス流路への水分移動効率が低下する冷却ガス流路下流側において、水分移動が促進されるため、多孔質領域全体で、水分移動の効率を向上させることができる。 With such a configuration, the amount of moisture contained in the cooling gas increases, and on the downstream side of the cooling gas passage where the moisture transfer efficiency from the reaction gas passage through the porous region to the cooling gas passage decreases, Since the moisture movement is promoted, the efficiency of moisture movement can be improved in the entire porous region.
また、冷却ガス流路の下流側において上流側よりも冷却ガスの流速を速くすることで、境界層がより薄くなるため、多孔質体から冷却ガス流路への水分の気化を促進し、水分移動の効率を向上させることができる。このような冷却ガス流速調整部は、例えば、冷却ガス流路の上流側よりも下流側で、前記冷却ガス流路の冷却ガス流れ方向における流路断面積を絞ることで実現可能である。 In addition, since the boundary layer becomes thinner by increasing the flow velocity of the cooling gas at the downstream side of the cooling gas channel than at the upstream side, the vaporization of moisture from the porous body to the cooling gas channel is promoted, The efficiency of movement can be improved. Such a cooling gas flow rate adjusting unit can be realized, for example, by reducing the flow path cross-sectional area in the cooling gas flow direction of the cooling gas flow path on the downstream side of the upstream side of the cooling gas flow path.
あるいは、上記本発明の第1または第2の燃料電池において、前記冷却ガス流路は、前記ガスセパレータの前記第2の面において、前記多孔質領域内に形成されており、前記燃料電池は、前記冷却ガス流路の上流側に比べて下流側で、前記多孔質領域を介した前記反応ガス流路から前記冷却ガス流路への水分の移動を促進する水分移動促進部として、前記冷却ガス流路の下流側を形成する領域の方が上流側を形成する領域に比べて、気孔径および/または気孔率が大きい多孔質領域を、前記多孔質領域として備えることとしても良い。このような構成としても、冷却ガス流路下流側において、水分移動を促進することができる。 Alternatively, in the first or second fuel cell of the present invention, the cooling gas flow path is formed in the porous region on the second surface of the gas separator , The cooling gas as a moisture movement promoting part that promotes the movement of moisture from the reaction gas channel to the cooling gas channel via the porous region on the downstream side compared to the upstream side of the cooling gas channel. A porous region having a larger pore diameter and / or porosity than the region forming the upstream side in the region forming the downstream side of the flow path may be provided as the porous region . Even with such a configuration, moisture movement can be promoted on the downstream side of the cooling gas flow path.
あるいは、上記本発明の第1または第2の燃料電池において、前記冷却ガス流路は、前記ガスセパレータの前記第2の面において、前記多孔質領域内に形成されており、前記燃料電池は、さらに、前記冷却ガス流路の上流側に比べて下流側で、前記多孔質領域を介した前記反応ガス流路から前記冷却ガス流路への水分の移動を促進する水分移動促進部として、前記ガスセパレータの前記第2の面において前記冷却ガス流路を形成する構造であって、上流側よりも下流側における流路表面積が大きくなる前記冷却ガス流路を形成する冷却ガス流路形成部を備えることとしても良い。このように、下流側において、冷却ガス流路の流路表面積を大きくすることによっても、冷却ガス流路下流側における水分移動を促進することができる。 Alternatively, in the first or second fuel cell of the present invention, the cooling gas flow path is formed in the porous region on the second surface of the gas separator, Furthermore, as a moisture movement promoting part that promotes the movement of moisture from the reaction gas channel to the cooling gas channel via the porous region on the downstream side compared to the upstream side of the cooling gas channel, A cooling gas flow path forming section that forms the cooling gas flow path on the second surface of the gas separator and that forms the cooling gas flow path with a larger flow area on the downstream side than on the upstream side. provided may be Rukoto. As described above, it is also possible to promote moisture movement on the downstream side of the cooling gas channel by increasing the channel surface area of the cooling gas channel on the downstream side.
本発明は、上記以外の種々の形態で実現可能であり、例えば、燃料電池用ガスセパレータや、燃料電池における反応ガスの加湿方法などの形態で実現することが可能である。 The present invention can be realized in various forms other than those described above. For example, the present invention can be realized in the form of a fuel cell gas separator, a method of humidifying a reaction gas in a fuel cell, or the like.
A.第1実施例:
A−1.装置の全体構成:
図1は、本発明の第1実施例における燃料電池の概略構成を示す説明図である。本実施例の燃料電池は、発電の本体である燃料電池スタック60と、燃料ガス供給部62と、ブロワ64と、冷却液循環部61と、制御部68と、を備えている。本実施例の燃料電池は、燃料電池スタック60の内部構成に特徴があるが、最初に図1に基づいて全体構成について説明する。
A. First embodiment:
A-1. Overall configuration of the device:
FIG. 1 is an explanatory diagram showing a schematic configuration of a fuel cell according to a first embodiment of the present invention. The fuel cell of the present embodiment includes a
燃料電池スタック60(以下、スタック60と呼ぶ)は、固体高分子型燃料電池であり、積層された複数の単セルによって構成されている。スタック60内部には、複数の流体流路が設けられている。具体的には、スタック60内部には、水素を含有する燃料ガスの流路である燃料ガス流路70と、酸素を含有する酸化ガスの流路である酸化ガス流路72と、冷却ガスの流路である冷却ガス流路74と、冷却液の流路である冷却液流路76と、が設けられている。
The fuel cell stack 60 (hereinafter referred to as the stack 60) is a polymer electrolyte fuel cell, and includes a plurality of stacked single cells. A plurality of fluid flow paths are provided inside the
燃料ガス供給部62は、スタック60の燃料ガス流路70に燃料ガスを供給するための装置である。燃料ガス供給部62には、例えば水素吸蔵合金を備える水素タンクや水素ボンベを設けることができ、この場合には、純度の高い水素ガスを燃料ガスとしてスタック60に供給することができる。あるいは、燃料ガス供給部62として、改質器を設け、炭化水素系の燃料を改質して得られる水素リッチな改質ガスを燃料ガスとしてスタック60に供給することとしても良い。スタック60に供給された燃料ガスは、燃料ガス流路70を通過しつつ電気化学反応に供され、残余のアノードオフガスはスタック60外部へと排出される。
The fuel
ブロワ64は、スタック60の冷却ガス流路74および酸化ガス流路72に空気を供給するための装置である。すなわち、本実施例の燃料電池では、ブロワ64から供給される空気を、スタック60を冷却する冷却ガスとして用いると共に、酸化ガスとして用いている。ブロワ64とスタック60とを接続して空気流路80が設けられており、空気流路80を介してスタック60に供給された空気は、まず冷却ガス流路74を通過しつつスタック60を冷却する。冷却ガス流路74と酸化ガス流路72とを接続して接続流路82が設けられており、冷却ガス流路74を通過した空気は、接続流路82を介して酸化ガス流路72に導かれて、電気化学反応に供される。残余のカソードオフガスは、スタック60外部へと排出される。なお、空気流路80から分岐して分岐流路84が設けられており、分岐流路84によって、冷却ガス流路74を経由することなく接続流路82へと空気が導かれる。分岐流路84には、分岐流路84を通過する空気量を調節するための流量調整弁63が設けられている。したがって、ブロワ64および流量調整弁63を制御することで、冷却ガス流路74を通過する空気量と、電気化学反応に供する空気量とを、それぞれ調節することができる。
The
冷却液循環部61は、循環ポンプ65と熱交換器66とを備えている。循環ポンプ65は、スタック60内部の冷却液流路76と熱交換器66との間で、スタック60を冷却するための冷却液を循環させる。冷却液は、冷却液流路76を通過しつつスタック60との間で熱交換を行なって昇温し、昇温した冷却液は熱交換器66を通過することで降温する。
The
制御部68は、CPU,ROM,RAM,タイマなどを備えるマイクロコンピュータとして構成されている。制御部68は、燃料電池で発電すべき発電量に関わる情報を取得すると共に、燃料電池各部の状態に関する情報を取得する。また、制御部68は、取得した情報に基づいて、燃料ガス供給部62やブロワ64、循環ポンプ65、流量調整弁63等、燃料電池の各部に駆動信号を出力する。
The
A−2.スタック60の構成:
図2は、本実施例の燃料電池を構成する単セル10の構成を表わす分解斜視図である。また、図3は、単セル10を構成するセパレータ20の様子を表わす平面図である。
A-2.
FIG. 2 is an exploded perspective view showing the configuration of the
単セル10は、図2に示すように、膜−電極アセンブリ(MEA:Membrane-Electrode Assembly )12を、ガス拡散層13,14で挟持し、これらMEA12およびガス拡散層13,14をさらに両側からセパレータ20、22によって挟持することによって構成されている(図2では、ガス拡散層13は図示せず。図5〜7参照)。
As shown in FIG. 2, the
MEA12は、固体高分子電解質膜の両面に触媒層を形成することによって得られる。固体高分子電解質膜は、例えばフッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜であり、湿潤状態で良好なイオン伝導性を示す。触媒層は、触媒としての白金または白金と他の金属からなる合金を有する層である。また、ガス拡散層13,14は、ガス拡散性の導電性部材、例えば炭素繊維からなる糸で織成したカーボンクロスやカーボンペーパ、あるいは発泡金属や金属メッシュなどによって形成することができる。
The
セパレータ20,22と、上記ガス拡散層に挟持されたMEA12との間には、電気化学反応に供される反応ガスの流路が形成される。すなわち、セパレータ20と、ガス拡散層13を備えるMEA12との間には、空気などの酸素を含有する酸化ガスが通過する単セル内酸化ガス流路が形成される。また、セパレータ22と、ガス拡散層14を備えるMEA12との間には、水素を含有する燃料ガスが通過する単セル内燃料ガス流路が形成される。さらに、一つの単セル10を構成するセパレータ20と、隣接する単セル10を構成するセパレータ22との間には、冷却液が通過するセル間冷却液流路と、冷却ガスが通過するセル間冷却ガス流路とが形成される。このように本実施例の燃料電池では、セル間冷却液流路およびセル間冷却ガス流路が、隣り合うすべての単セル間に形成されているが、これらの冷媒流路は、複数のセル毎に形成されることとしても良い。セパレータ20,22は、カーボンや金属などの導電性材料によって形成されており、ガスおよび水分が透過しない緻密体と、水分(液水あるいは水蒸気)の透過を許容する多孔質体とから成る。この多孔質体の配置および構成は、本発明の要部に対応しており、後に詳しく説明する。
Between the
図3(A),(B)は、セパレータ20を2つの面の各々から見た様子を表わす平面図である。図3(A)は、図2に示すセパレータ20において手前側に見えている面を表わす。図3に示すように、セパレータ20は、その外周近くに8個の孔を備えている。具体的には、孔部22a,22b,24a,24b,26a,26b,28a,28bを備えている。図2に示すように、上記8個の孔部と同様の孔部は、セパレータ22の対応する位置にも設けられており、対応する位置に設けられた孔部は、スタック60内で重なり合って、スタック60内部を単セル10の積層方向に貫通する流体流路(マニホールド)を形成する。
3A and 3B are plan views showing a state in which the
セパレータ20の一方の面には、孔部22aと孔部22bとを連絡すると共に、ガス拡散層13を備えるMEA12との間に単セル内酸化ガス流路を形成する酸化ガス流路形成部30が設けられている(図3(A)参照)。さらに、セパレータ20の他方の面には、孔部26aと孔部26bとを連絡すると共に、セパレータ20と隣接するセパレータ22との間にセル間冷却液流路を形成する冷却液流路形成部32が設けられている。上記他方の面には、さらに、孔部28aと孔部28bとを連絡すると共に、セパレータ20と隣接するセパレータ22との間にセル間冷却ガス流路を形成する冷却ガス流路形成部34が設けられている(図3(B)参照)。
One side of the
接続流路82を経由した空気は、酸化ガス供給マニホールド(孔部22a)を介して、各単セル10内の単セル内酸化ガス流路に分配され、カソードオフガスは、酸化ガス排出マニホールド(孔部22b)に集合して、スタック60外部に導かれる。スタック60に供給された冷却液は、冷却液供給マニホールド(孔部26a)を介して、各セル間冷却液流路に分配され、冷却液排出マニホールド(孔部26b)に集合して、スタック60外部に導かれる。スタック60に供給された空気は、冷却ガス供給マニホールド(孔部28a)を介して、各セル間冷却ガス流路に分配され、冷却ガス排出マニホールド(孔部28b)に集合して、接続流路82に導かれる。図3には、各流体の流れの方向を矢印で示している。
The air passing through the
セパレータ22には、セパレータ20と接する一方の面において、冷却液流路形成部32に対応する形状の冷却液流路形成部33と、冷却ガス流路形成部34に対応する形状の冷却ガス流路形成部35とが形成されている(図2参照)。冷却液流路形成部33は、隣り合う冷却液流路形成部32と共にセル間冷却液流路を形成し、冷却ガス流路形成部35は、隣り合う冷却ガス流路形成部34と共にセル間冷却ガス流路を形成する。また、セパレータ22の他方の面には、孔部24aと孔部24bとを連絡すると共に、ガス拡散層14を備えるMEA12との間に単セル内燃料ガス流路を形成する燃料ガス流路形成部が設けられている(図示せず)。スタック60に供給された燃料ガスは、燃料ガス供給マニホールド(孔部24a)を介して、各単セル10内に形成される単セル内燃料ガス流路に分配され、アノードオフガスは、燃料ガス排出マニホールド(孔部24b)に集合して、スタック60外部に導かれる。
The
なお、図1では、スタック60内にマニホールドを含んで連続して形成される流路全体を、酸化ガス流路72、冷却液流路76、ガス流路74あるいは燃料ガス流路70と表わしている。
In FIG. 1, the entire flow path formed continuously including the manifold in the
ここで、図2および図3では、酸化ガス流路形成部30は、平坦な底面を有する凹部として表わしているが、酸化ガス流路形成部30および燃料ガス流路形成部は、所定の凹凸形状を有していても良い。本実施例の酸化ガス流路形成部30は、図4に示すように、略平行な細長い複数の凸部36を有し、単セル内酸化ガス流路として、略平行な複数の溝状流路群を形成している。あるいは、酸化ガス流路形成部30および燃料ガス流路形成部は、凹部の底面から突出する複数の凸部を設けることとしたり、平坦な底面をもつ凹部として形成し、この凹部内にガス拡散層をはめ込むことによって、ガス流路を形成することとしても良い。なお、冷却ガス流路形成部34においても同様に、所定の凹凸形状を設けることとすれば良い。
Here, in FIGS. 2 and 3, the oxidizing gas flow
図5および図6は、単セル10の内部構成を模式的に表わす断面図である。図5は、図4に示したセパレータ20における5−5断面に対応する断面の様子を示し、図6は、図4に示したセパレータ20における6−6断面に対応する断面の様子を示している。図5、図6のいずれも、凸部36に平行であって、凸部36を含まない断面を表わしている。
5 and 6 are cross-sectional views schematically showing the internal configuration of the
セパレータ20は、多孔質体によって形成される多孔質部52を備えている。この多孔質部52は、単セル内酸化ガス流路と冷却ガス流路とを連絡するように、セパレータ20を貫通して設けられている。セパレータ20において、多孔質部52以外の部分(以下、セパレータ基部という)は、水分およびガスが不透過な緻密部材により形成されている。例えば、セパレータ基部は、バインダを混合したカーボン粉末を圧縮成形した緻密質カーボンや、プレス成形した金属板により形成することができる。多孔質部52は、上記セパレータ基部を構成する部材と同種の材料により形成することが好ましい。例えば、セパレータ基部がカーボン製である場合には、多孔質部52もカーボン製とすることが望ましい。カーボン多孔質体は、用いるカーボン粉末の形状やサイズ、あるいはバインダとの混合比率などを適宜選定することにより、所望の気孔率にすることができる。また、セパレータ基部が金属製である場合には、多孔質部52は、焼結金属や金属メッシュなどの金属多孔質体により形成すればよい。セパレータ基部と、多孔質部52とは、一体形成しても良いし、別体で形成した後に両者を結合させることとしても良い。
The
セパレータ20では、多孔質体によって形成される多孔質部52は、冷却ガス流路形成部34が形成される領域全体に配設されている。ここで、図5および図6では、冷却ガス流路形成部34が、幅の等しい複数の平行な溝を備える凹凸形状を有する様子を表わしている。セパレータ20において多孔質部52が配設される領域は、図2および図3では、多孔質領域53として、破線で囲んで示している。以下の説明では、セパレータ20において多孔質部52が配設される領域だけでなく、スタック60全体で、多孔質部52が配設される領域に対応する領域を多孔質領域53と呼ぶ。また、スタック60において、セパレータ基部が配設される領域に対応する領域であって、多孔質領域53以外の領域を、緻密領域と呼ぶ。
In the
図5および図6では、酸化ガス流路形成部30において、ガス拡散層13を備えるMEA12と、セパレータ20表面との間に、単セル内酸化ガス流路40が形成される様子が示されている。また、図5および図6では、セパレータ20,22が備える孔部22aによって酸化ガス供給マニホールド44が形成され、セパレータ20,22が備える孔部22bによって酸化ガス排出マニホールド46が形成され、これらのマニホールドが単セル内酸化ガス流路40と連通している様子が示されている。多孔質部52が配設された多孔質領域53は、単セル内酸化ガス流路40における下流側領域、すなわち、単セル内酸化ガス流路40における酸化ガス排出マニホールド46との接続部の近傍領域となっている。
FIGS. 5 and 6 show a state in which the oxidizing
図5および図6に示すように、単セル10においては、酸化ガス流れの下流領域である多孔質領域53と、上流領域である緻密領域とで、単セル内酸化ガス流路40の深さ(凸部36間に形成される溝の深さ)が異なっている。図5および図6では、緻密領域における単セル内酸化ガス流路40の深さを「a」、多孔質領域53における単セル内酸化ガス流路40の深さを「b」あるいは「c」と表わしているが、a<b、a<cが成り立つ。さらに、多孔質領域53においても、単セル内酸化ガス流路40の深さが場所によって異なっており、b>cが成り立つ。すなわち、セパレータ20の多孔質領域53には、より深い単セル内酸化ガス流路を形成する領域と、より浅い単セル内酸化ガス流路を形成する領域とが設けられている。より深い単セル内酸化ガス流路40を形成する領域は、多孔質領域53において孔部28a(冷却ガス供給マニホールド)よりの半分の領域であり、以下、冷却ガス上流領域50と呼ぶ。また、より浅い単セル内酸化ガス流路40を形成する領域は、多孔質領域53において孔部28b(冷却ガス排出マニホールド)よりの半分の領域であり、以下、冷却ガス下流領域54と呼ぶ(図3(A)参照)。なお、図3(A)では、多孔質領域53を二等分して、冷却ガス上流領域50と冷却ガス下流領域54とを設けたが、本実施例および後述する実施例において、冷却ガス上流領域50と冷却ガス下流領域54とは、必ずしも等しい大きさとする必要はない。図4に示すように、セパレータ20が形成する単セル内酸化ガス流路40は、互いに幅の等しい平行な溝状流路であるため、深い流路が形成される領域ほど、流路断面積が大きく(単位流路断面積当たりのガス流量が少なく)なる。すなわち、緻密領域よりも多孔質領域53の方が単セル内酸化ガス流路の流路断面積が大きく、多孔質領域53内では、冷却ガス上流領域50の方が、冷却ガス下流領域54よりも単セル内酸化ガス流路の流路断面積が大きい。
As shown in FIGS. 5 and 6, in the
図7は、図4に示した5−5断面および6−6断面に平行であって、凸部36を含む断面を表わしている。このように、凸部36を含む断面では、冷却ガス上流領域50であるか冷却ガス下流領域54であるかに関わらず、共通する構造を示す。すなわち、ガス拡散層13に接する凸部36を、緻密領域ではセパレータ基部が形成し、多孔質領域53では多孔質部52が形成する。
FIG. 7 shows a cross section including the
なお、図5および図6では、セパレータ22の燃料ガス流路形成部において、ガス拡散層14を備えるMEA12と、セパレータ22表面との間に、単セル内燃料ガス流路42が形成される様子が示されている。セパレータ22において、MEA12と対向する面と反対側の面には、セパレータ20と同様に、冷却ガス流路形成部35と冷却液流路形成部33の形状に対応する所定の凹凸形状が設けられている。本実施例のセパレータ22は、全体が、セパレータ20のセパレータ基部と同様の緻密部材によって形成されている。なお、図5および図6に示すように、セパレータ20のセパレータ基部では、冷却ガス流路形成部34および冷却液流路形成部32の周りにおいて、Oリングなどのシール部材38が配設されており、セル間冷却ガス流路およびセル間冷却液流路をシールしている。
5 and 6, the fuel
A−3.水分授受の動作:
燃料電池では、電気化学反応の進行に伴ってカソードで水が生じる。本実施例の燃料電池では、セパレータ20において、単セル内酸化ガス流路40の下流側に相当する領域に多孔質部52を設けることで、多孔質部52を介して、単セル内酸化ガス流路40内の水分をセル間冷却ガス流路へと排出可能にしている。ここで、単セル内酸化ガス流路40内を通過する酸化ガス中の水分量が飽和蒸気圧を下回っているときには、単セル内酸化ガス流路40から多孔質部52を介して冷却ガス流路へと移動する水分は、水蒸気の状態で移動する。これに対して、単セル内酸化ガス流路40を通過する酸化ガス中の水分量が多く、水が凝縮する場合には、凝縮水が多孔質部52に一旦吸収された後に、この多孔質部52から冷却ガス流路内に気化することによって、水分授受が行なわれる。
A-3. Moisture transfer behavior:
In a fuel cell, water is generated at the cathode as the electrochemical reaction proceeds. In the fuel cell according to the present embodiment, the
本実施例の燃料電池において、単セル内酸化ガス流路40内の凝縮水は、多孔質部52において、毛管吸引力によって容易に内部に取り込まれ、セル間冷却ガス流路側に移動する。また、このように凝縮水が多孔質部52に吸収される場合には、多孔質部52が凝縮水を吸収することによってガスシールされ、単セル内酸化ガス流路40とセル間冷却ガス流路との間でガスが混じり合うのが抑えられる。なお、このような酸化ガスからの水分の取り込みおよびセル間冷却ガス流路側への水分移動を促進するために、多孔質部52は、親水処理を施して親水性を高めることが望ましい。例えば、多孔質部52をカーボン製の多孔質体によって形成する場合には、このカーボン多孔質体を過酸化水素水中で煮沸処理して、カーボン表面に水酸基(−OH基)を導入することにより、容易に親水性を付与することができる。
In the fuel cell of this embodiment, the condensed water in the single-cell oxidizing
本実施例の燃料電池では、多孔質領域53に形成される単セル内酸化ガス流路40の流路断面積が、緻密領域に形成される単セル内酸化ガス流路40の流路断面積よりも大きくなるように、セパレータ20の酸化ガス流路形成部30が形成されている。これにより、単セル内酸化ガス流路40を通過する酸化ガスは、下流側である多孔質領域53を通過するときの方が、上流側である緻密領域を通過するときよりも流速が遅くなる。酸化ガスの流速が遅いほど、酸化ガスの流れによって単セル内酸化ガス流路40内の液水が外部に排出される動作が抑えられる。また、酸化ガスの流速が遅いほど、カソードで生じた生成水が酸化ガス中に気化する効率が低くなる。したがって、酸化ガスの流速が遅いほど、単セル内酸化ガス流路40内に水分が留まり易くなる。このように、緻密領域に形成された単セル内酸化ガス流路よりも深く形成された多孔質領域53内の単セル内酸化ガス流路は、酸化ガスの流れによるガスの流れ方向への水分の移動を、単セル内酸化ガス流路の形状によって抑える水分排出抑制部として機能する。
In the fuel cell of the present embodiment, the cross-sectional area of the oxidizing
上記のように、本実施例の燃料電池によれば、多孔質領域53では、緻密領域に比べて、酸化ガスの流れによるガスの流れ方向への水分の移動が抑えられる。したがって、多孔質領域53では、単セル内酸化ガス流路40内に水分がより多く留まるようになり、単セル内酸化ガス流路40内の水分のより多くが、多孔質部52を介して冷却ガス流路側へと移動可能となる。そのため、多孔質部52を介した単セル内酸化ガス流路40から冷却ガス流路側への水分移動効率を向上させることができる。特に本実施例では、セル間冷却ガス流路を通過した冷却ガスを酸化ガスとして用いているため、単セル内酸化ガス流路40から冷却ガス流路への水分移動効率を向上させることで、単セル内酸化ガス流路40に供給する酸化ガスの湿度をより高くすることが可能となる。したがって、電解質膜の水分不足を防止可能となる。
As described above, according to the fuel cell of the present embodiment, in the
また、本実施例の燃料電池では、多孔質領域53において、冷却ガス下流領域54に形成される単セル内酸化ガス流路40の方が、冷却ガス上流領域50に形成される単セル内酸化ガス流路40に比べて、流路断面積が小さくなるように形成されている。これにより、冷却ガス下流領域54を通過する酸化ガスの方が、冷却ガス上流領域50を通過する酸化ガスに比べて、流速が速くなる。酸化ガスの流速をより速くすることで、単セル内酸化ガス流路内の冷却ガス下流領域では、冷却ガス上流領域に比べて、酸化ガスの流れによってガスの流れ方向へ水分が移動する効率が向上する。このように、本実施例では、冷却ガス上流領域よりも浅く形成された冷却ガス下流領域の単セル内酸化ガス流路は、酸化ガスの流れによって水分を移動させ、水分が滞留するのを防止する水分滞留防止部として機能する。ここで、セル間冷却ガス流路を通過する冷却ガスは、多孔質部52を介して単セル内酸化ガス流路40から供給される水分によって加湿されるため、セル間冷却ガス流路の下流側ほど冷却ガスの湿度は高くなる。冷却ガスの湿度が高いほど、多孔質部52を介した単セル内酸化ガス流路40からセル間冷却ガス流路への水分の移動効率は低くなる。流路断面積を小さくして酸化ガスの流速をより速くした冷却ガス下流領域54は、このように、多孔質部52を介した水分の移動効率が低い領域である。
Further, in the fuel cell of the present embodiment, in the
上記のように本実施例の燃料電池によれば、多孔質領域53全体としては、多孔質部52を介した水分移動の効率を向上させると共に、多孔質領域53内で水分移動の効率が比較的悪くなる一部の領域においてフラッディングが生じることによる電池性能の低下を防止できる。
As described above, according to the fuel cell of this example, the
B.第2実施例:
第1実施例では、酸化ガスの流れによるガスの流れ方向への水分の移動を抑える水分排出抑制部として、多孔質領域53では緻密領域に比べて流路が深く形成された単セル内酸化ガス流路40を設けたが、異なる構成としても良い。以下に、第2実施例として、多孔質領域53では緻密領域に比べて流路断面積が大きくなると共に、第1実施例とは異なる形状の単セル内酸化ガス流路を備える燃料電池について説明する。第2実施例の燃料電池は、第1実施例の燃料電池と類似する構成を有するため、共通する部分には同じ参照番号を付して説明を省略し、異なる構成についてのみ説明する。
B. Second embodiment:
In the first embodiment, as a moisture discharge suppressing portion that suppresses the movement of moisture in the gas flow direction due to the flow of oxidizing gas, the oxidizing gas in the single cell in which the flow path is formed deeper in the
図8は、第2実施例の燃料電池が備えるセパレータ120の構成を表わす平面図である。セパレータ120は、第1実施例のセパレータ20に代えて用いられ、MEA12との間に単セル内酸化ガス流路を形成するための酸化ガス流路形成部130が設けられている。酸化ガス流路形成部130は、緻密領域においては、第1実施例の凸部36と同様に略平行な複数の溝状流路群を形成するための細長い複数の凸部136を有している。また、酸化ガス流路形成部130は、多孔質領域53においては、断面四角形の凸部であって、四角形の幅(一辺の長さ)が上記凸部136の幅と同様の長さである複数の凸部137が設けられている。複数の凸部137は、格子状に配設されており、格子を構成する列のそれぞれが、各凸部136の延長線上に配置するように設けられている。
FIG. 8 is a plan view showing the configuration of the
このような場合にも、単セル内酸化ガス流路40の流路断面積を、多孔質領域53では緻密領域よりも大きくすることができるため、多孔質領域53における酸化ガスの流速をより遅くし、第1実施例と同様の効果を得ることができる。
Even in such a case, since the cross-sectional area of the oxidizing
C.第3実施例:
図9は、第3実施例の燃料電池が備えるセパレータ220の構成を表わす平面図である。第3実施例の燃料電池は、第1および第2実施例の燃料電池と類似する構成を有するため、共通する部分には同じ参照番号を付して説明を省略し、異なる構成についてのみ説明する。セパレータ220は、第1実施例のセパレータ20に代えて用いられ、MEA12との間に単セル内酸化ガス流路を形成するための酸化ガス流路形成部230が設けられている。酸化ガス流路形成部230は、緻密領域においては、第2実施例と同様の複数の凸部136を有している。また、酸化ガス流路形成部230は、多孔質領域53においては、第2実施例の凸部137と同様の形状の凸部を略90度回転させた向きの複数の凸部237を、凸部136が形成する流路から流れてきた酸化ガスの流れ(図9中に矢印で示す)を妨げる位置に、規則的に設けた形状を有している。このように複数の凸部237を配設することで、単セル内酸化ガス流路40の流路断面積を、多孔質領域53において緻密領域よりも大きくしている。
C. Third embodiment:
FIG. 9 is a plan view showing the configuration of the
このような構成としても、単セル内酸化ガス流路の流路断面積を、多孔質領域53では緻密領域よりも大きくすることにより、多孔質領域53における酸化ガスの流速をより遅くし、第1実施例と同様の効果を得ることができる。さらに、第3実施例の燃料電池では、緻密領域から流れてきた酸化ガスの流れを、多孔質体によって形成した凸部237によって妨げるため、酸化ガスが運ぶ水分(特に液水)を、多孔質体によって形成する凸部237によって捉えることが可能となる。したがって、単セル内酸化ガス流路内で、酸化ガスの流れによるガスの流れ方向への水分の移動を抑える効果を高めることができる。また、第3実施例の燃料電池によれば、緻密領域から流れてきた酸化ガスの流れを凸部237によって妨げるため、単セル内酸化ガス流路を流れる酸化ガスの流れを攪拌することができ、カソードへの酸素の供給が促進され、発電時のガス利用率を向上させることが可能となる。
Even in such a configuration, the flow area of the oxidizing gas channel in the single cell is made larger in the
D.第4実施例:
図10は、第4実施例の燃料電池が備えるセパレータ320の構成を表わす平面図である。また、図11は、セパレータ320を備える単セルの内部構成を模式的に表わす断面図である。第4実施例の燃料電池は、第1および第2実施例の燃料電池と類似する構成を有するため、共通する部分には同じ参照番号を付して説明を省略し、異なる構成についてのみ説明する。セパレータ320は、第1実施例のセパレータ20に代えて用いられ、MEA12との間に単セル内酸化ガス流路を形成するための酸化ガス流路形成部330が設けられている。酸化ガス流路形成部330は、緻密領域においては、第2実施例と同様の複数の凸部136を有している。また、酸化ガス流路形成部330は、多孔質領域53においては、流路を形成するための凹部構造を有しておらず、凹凸形状を有しない多孔質体から成る多孔流路部337を備えている。この多孔流路部337を構成する多孔質体は、緻密領域に形成される単セル内酸化ガス流路の流路断面積よりも、実質的な流路断面積が大きくなる(単位断面積当たりの流量が少なくなる)ような、充分に大きな多孔率および細孔径を有している。また、セパレータ320は、多孔質領域53において、セル間冷却ガス流路側には、第1実施例と同様の多孔質部52を備えている。本実施例のセパレータ320では、多孔流路部337を構成する多孔質体は、多孔質部52を構成する多孔質体よりも大きな多孔率および細孔径を有している。
D. Fourth embodiment:
FIG. 10 is a plan view showing the configuration of a
第4実施例の燃料電池においても、単セル内酸化ガス流路の流路断面積を、多孔質領域53において緻密領域全体よりも大きくすることにより、多孔質領域53における酸化ガスの流速をより遅くし、第1実施例と同様の効果を得ることができる。さらに、第4実施例の燃料電池では、緻密領域から流れてきた酸化ガスの流れを、多孔質体によって形成した多孔流路部337によって妨げるため、酸化ガスが運ぶ水分(特に液水)を、多孔流路部337によって捉えることが可能となる。したがって、単セル内酸化ガス流路において、酸化ガスの流れによるガスの流れ方向への水分の移動を抑える効果を高めることができる。また、第4実施例の燃料電池によれば、緻密領域から所定の向きに流れてきた酸化ガスの流れを多孔流路部337によって妨げるため、単セル内酸化ガス流路を流れる酸化ガスの流れを攪拌することができ、カソードへの酸素の供給が促進されるため、発電時のガス利用率を向上させることが可能となる。
Also in the fuel cell of the fourth embodiment, the flow rate of the oxidizing gas in the
なお、緻密領域に形成される単セル内酸化ガス流路の形状は、略平行な複数の溝状流路群以外の形状でも良い。また、セパレータ320において、単セル内酸化ガス流路を形成する多孔流路部337と多孔質部52とでは多孔率および細孔径を異ならせることとしたが、同様の多孔質によって多孔流路部337と多孔質部52とを形成することとしても良い。少なくとも単セル内酸化ガス流路を形成する側において、緻密領域よりも多孔質領域53で単セル内酸化ガス流路の流路断面積が大きくなるような多孔率および/または細孔径を、多孔流路部337が有していればよい。ただし、単セル内酸化ガス流路40とセル間冷却ガス流路とを隔てる多孔質部52の多孔率および/または細孔径を充分に小さくして、単セル内酸化ガス流路40からセル間冷却ガス流路へと酸化ガスが移動することに起因する酸化ガス利用率の低下を抑えることが望ましい。
The shape of the oxidizing gas flow path in the single cell formed in the dense region may be a shape other than a plurality of substantially parallel groove-shaped flow path groups. Further, in the
E.第5実施例:
図12,13は、第5実施例の燃料電池が備える単セルの内部構成を模式的に表わす断面図である。第5実施例の燃料電池は、第1実施例の燃料電池と類似する構成を有するため、共通する部分には同じ参照番号を付して説明を省略し、異なる構成についてのみ説明する。第5実施例の燃料電池は、セパレータ20に代えてセパレータ420を備えている。セパレータ420は、セパレータ20における多孔質部52に代えて、多孔質部452を備えている。また、セパレータ420は、セパレータ20と同様に、幅が等しく略平行な複数の溝状流路群を形成する凹凸形状として、複数の凸部36を備えている。図12は、図5に対応する断面における様子を表わし、図13は、図6に対応する断面における様子を表わす。すなわち、図12は、凸部36に平行であり凸部36を含まない断面であって、冷却ガス上流領域50を通過する断面の様子を表わす。また、図13は、同じく凸部36に平行であり凸部36を含まない断面であって、冷却ガス下流領域54を通過する断面の様子を表わす(図3(A)および図4参照)。
E. Example 5:
12 and 13 are cross-sectional views schematically showing the internal structure of a single cell included in the fuel cell of the fifth embodiment. Since the fuel cell of the fifth embodiment has a configuration similar to that of the fuel cell of the first embodiment, common portions are denoted by the same reference numerals, description thereof is omitted, and only different configurations are described. The fuel cell according to the fifth embodiment includes a
本実施例の燃料電池では、第1実施例と同様に、単セル内酸化ガス流路40の深さが、緻密領域に比べて多孔質領域53の方が深く形成されている。すなわち、緻密領域の単セル内酸化ガス流路40の深さが「a」であり、多孔質領域53の単セル内酸化ガス流路40の深さが「d」とすると、a<dが成り立つ。これにより、緻密領域よりも多孔質領域53において酸化ガスの流速が遅くなる。したがって、第1実施例と同様に、多孔質領域53において、酸化ガスの流れによるガスの流れ方向への水分移動を抑え、多孔質部52を介した単セル内酸化ガス流路40から冷却ガス流路側への水分移動効率を向上させることができる。なお、第5実施例では、単セル内酸化ガス流路40の深さを、多孔質領域53で均一としているが、第1実施例と同様に、冷却ガス上流領域50と冷却ガス下流領域54とで異ならせてもよい。
In the fuel cell of the present embodiment, as in the first embodiment, the depth of the oxidizing
さらに、本実施例の燃料電池では、セル間冷却ガス流路の深さが、冷却ガス上流領域50に比べて冷却ガス下流領域54の方が浅く形成されている。すなわち、冷却ガス上流領域50においてセル間冷却ガス流路を形成する溝深さを「e」、冷却ガス下流領域54においてセル間冷却ガス流路を形成する溝深さを「f」とすると、e>fが成り立つ。ここで、多孔質部452に形成される冷却ガス流路形成部は、第1実施例と同様に、幅の等しい複数の平行な溝を備える凹凸形状を有するため、浅い流路が形成される領域ほど、流路断面積が小さく(単位流路断面積当たりのガス流量が多く)なる。このように、冷却ガス上流領域50よりも冷却ガス下流領域54の方が、セル間冷却ガス流路の流路断面積が小さいため、冷却ガス下流領域54の方が冷却ガスの流速が速くなる。したがって、冷却ガス下流領域54におけるセル間冷却ガス流路では、冷却ガスの流速を速くすることで境界層をより薄くして、多孔質部452内からセル間冷却ガス流路への水分の気化を促進することができる。既述したように、冷却ガスは下流側ほど湿度が高く、冷却ガス下流領域54では冷却ガス上流領域50よりも多孔質部452から冷却ガス中に水が気化する効率が低下する。本実施例では冷却ガス下流領域54において多孔質部452から冷却ガス中への水の気化を促進することで、多孔質部452から冷却ガス中への水の気化効率を、多孔質部452全体で確保可能としている。このように、セル間冷却ガス流路は、上流側よりも下流側で冷却ガス流路の冷却ガス流れ方向における流路断面積を絞る流路面積絞り部として働くことで、上流側よりも下流側において冷却ガスの流速を速くする冷却ガス流量調整部として働く。これにより、セル間冷却ガス流路は、上流側よりも下流側で単セル内酸化ガス流路40からセル間冷却ガス流路への水分の移動を促進する水分移動促進部として機能する。
Furthermore, in the fuel cell of the present embodiment, the cooling gas flow path between cells is formed shallower in the cooling gas
なお、本実施例では、多孔質部452表面に設けた凹凸形状によって、冷却ガス上流領域50と冷却ガス下流領域54との間で冷却ガスの流速を異ならせたが、異なる構成としても良い。例えば、セパレータ420に隣接してセパレータ420との間にセル間冷却ガス流路を形成するセパレータ22において、セル間冷却ガス流路を形成するための凹凸形状を、冷却ガス上流領域50と冷却ガス下流領域54とで異ならせて、流速を変化させることとしても良い。
In the present embodiment, the flow velocity of the cooling gas is made different between the cooling
F.第6実施例:
セル間冷却ガス流路の上流側よりも下流側の領域で、単セル内酸化ガス流路40からセル間冷却ガス流路への水分の移動を促進するために、第5実施例とは異なる構成の水分移動促進部を設けることもできる。一例である第6実施例として、冷却ガス上流領域50よりも冷却ガス下流領域54の方が、多孔率および/または細孔径が大きく形成された多孔質部を備えるセパレータを、第1実施例のセパレータ20に代えて用いることができる。これにより、冷却ガス下流領域54では、冷却ガス上流領域50よりも、多孔質部を介した単セル内酸化ガス流路40からセル間冷却ガス流路への水分移動が促進され、第5実施例と同様の効果を得ることができる。
F. Example 6:
This is different from the fifth embodiment in order to promote the movement of moisture from the intra-single-cell oxidizing
G.第7実施例:
上流側よりも下流側で単セル内酸化ガス流路40からセル間冷却ガス流路への水分の移動を促進するために、さらに異なる水分移動促進部を設けた構成を、第7実施例として以下に説明する。第7実施例の燃料電池において、第1実施例のセパレータ20に代えて用いるセパレータが備える多孔質部は、冷却ガス上流領域50よりも、冷却ガス下流領域54の方が、セル間冷却ガス流路を形成する側の表面積が大きく形成されている。これにより、冷却ガス下流領域54では、冷却ガス上流領域50よりも、多孔質部からセル間冷却ガス流路への水分の気化が促進され、第5実施例と同様の効果を得ることができる。ここで、セパレータが備える多孔質部において、セル間冷却ガス流路を形成する側の表面積を調節するには、例えば多孔質部をプレス成形する場合には、プレスに用いる金型に凹凸形状を形成することで、プレスと同時に所望の表面積を有する凹凸形状に表面を加工することができる。あるいは、多孔質部を成形後に、機械加工によって所望の表面積を有する凹凸形状に加工することとしても良い。
G. Seventh embodiment:
In order to promote the movement of moisture from the oxidant
なお、セパレータの多孔質領域を構成する多孔質部において、第5ないし第7実施例に示したそれぞれの水分移動促進部の構成を、複数組み合わせて設け、冷却ガス下流領域54において多孔質部を介したセル間冷却ガス流路への水分移動をさらに促進しても良い。
In the porous portion constituting the porous region of the separator, a plurality of combinations of the water movement promoting portions shown in the fifth to seventh embodiments are provided in combination, and the porous portion is provided in the cooling gas
E.変形例:
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
E. Variations:
The present invention is not limited to the above-described examples and embodiments, and can be implemented in various modes without departing from the gist thereof. For example, the following modifications are possible.
E1.変形例1(多孔質体の配置に関する変形例):
第1ないし第7実施例では、多孔質部を備える多孔質領域53は、単セル内酸化ガス流路40の下流側領域に設けているが、他の領域であっても良い。酸化ガスは、単セル内酸化ガス流路40を通過しつつ生成水の含有量を次第に増やすため、含水量の多い酸化ガスが流れる下流に多孔質領域を設けることで、単セル内酸化ガス流路40からセル間冷却ガス流路への多孔質部を介した水分移動を効果的に行なわせることができる。しかしながら、他の領域に多孔質領域を設けても良く、本発明を適用することで、多孔質領域において単セル内酸化ガス流路40からセル間冷却ガス流路へと多孔質体を介して水分移動させる効率を向上させることができる。
E1. Modification 1 (Modification regarding arrangement of porous body):
In the first to seventh embodiments, the
第1ないし第7実施例の燃料電池では、緻密領域は、ガス不透過なセパレータ基部によって構成したが、緻密領域を構成するセパレータ基部上であって、単セル内酸化ガス流路40を形成する表面に、多孔質体を配設することとしても良い。単セル内酸化ガス流路40を形成する表面に多孔質体を配設すれば、単セル内酸化ガス流路40内の水分は、表面に配設した多孔質体に容易に取り込まれて流路内の特定箇所に留まることなく単セル内酸化ガス流路40内に広がる。そのため、生成水によって単セル内酸化ガス流路40が塞がれるのを防止することができる。セパレータ基部が、単セル内酸化ガス流路40を形成する表面に多孔質体を備えていても、多孔質領域においてのみ、単セル内酸化ガス流路40とセル間冷却ガス流路とが多孔質体を介して連絡されていればよい。単セル内酸化ガス流路40内の多孔質領域において、酸化ガスの流れによるガスの流れ方向への水分の移動を、緻密領域に比べて抑える水分排出抑制部を備えるならば、実施例と同様の効果が得られる。
In the fuel cells of the first to seventh embodiments, the dense region is constituted by the gas-impermeable separator base, but on the separator base constituting the dense region, the oxidizing
第1ないし第7実施例では、多孔質領域全体を多孔質体によって形成したが、異なる構成としても良い。例えば、単セル内酸化ガス流路40を形成するための複数の凸部36(図4参照)は緻密質で形成し、単セル内酸化ガス流路40とセル間冷却ガス流路とを隔てる部分だけを多孔質体によって形成することとしても良い。多孔質領域53において、凸部36も多孔質体で形成することにより、単セル内酸化ガス流路40内に水分を留める効率を向上させることができて望ましいが、上記のように多孔質領域の一部を緻密質により形成することも可能である。
In the first to seventh embodiments, the entire porous region is formed of a porous body, but a different configuration may be used. For example, the plurality of protrusions 36 (see FIG. 4) for forming the single-cell oxidant
E2.変形例2(冷却ガスに関する変形例):
第1ないし第7実施例では、セル間冷却ガス流路を通過した冷却ガスを酸化ガスとして単セル内酸化ガス流路40に供給しているが、セル間冷却ガス流路と単セル内酸化ガス流路とには、独立して空気が供給されることとしても良い。あるいは、多孔質部を介してセル間冷却ガス流路側へと水分を移動させる水分源となる酸化ガス(電気化学反応に供する反応ガス)と同種のガスを冷却ガスとして用いる代わりに、異種のガスを冷却ガスとして用いても良い。この場合には、反応ガスに混入しても電気化学反応に影響を与えないガスを冷却ガスとして選択することが望ましい。また、冷却ガス圧を反応ガス圧よりも低くするならば、冷却ガスが反応ガスに混入するのを効果的に防止できる。
E2. Modification 2 (Modification regarding cooling gas):
In the first to seventh embodiments, the cooling gas that has passed through the inter-cell cooling gas channel is supplied as the oxidizing gas to the intra-cell oxidizing
また、第1ないし第7実施例では、多孔質領域には冷却ガスを流し、緻密領域には冷却液を流して燃料電池の冷却を行なっているが、多孔質領域に冷却ガスが流れ、反応ガス流路から冷却ガス流路へと多孔質部を介して水分が移動可能であれば異なる構成としても良い。実施例の構成では、酸化ガス中の酸素濃度が高く電気化学反応がより活発に進行する上流領域である緻密領域を、液体を用いて冷却することによって、冷却効率を向上させているが、冷媒として冷却ガスだけを用いることとしても良い。 In the first to seventh embodiments, the cooling gas is supplied to the porous region and the cooling liquid is supplied to the dense region to cool the fuel cell. However, the cooling gas flows to the porous region and the reaction is performed. A different configuration may be used as long as moisture can move from the gas flow path to the cooling gas flow path via the porous portion. In the configuration of the example, the cooling efficiency is improved by cooling the dense region, which is the upstream region where the oxygen concentration in the oxidizing gas is high and the electrochemical reaction proceeds more actively, using a liquid. As an alternative, only the cooling gas may be used.
E3.変形例3(発明を適用するガス流路に関する変形例):
第1ないし第7実施例では、単セル内酸化ガス流路40とセル間冷却ガス流路との間に配設されるガスセパレータに多孔質部を配設しているが、単セル内燃料ガス流路42とセル間冷却ガス流路との間に配設されるガスセパレータに、同様の多孔質部を配設しても良い。電気化学反応で利用する反応ガスである燃料ガスの流路において本発明を適用すれば、単セル内燃料ガス流路内の水分を冷却ガス流路側に排出する際に、単セル内燃料ガス流路内の水分を多孔質部を介して冷却ガス流路側に移動させる効率を向上させることができる。なお、この場合には、冷却ガスとしては、単セル内燃料ガス流路に供給する前の燃料ガスを用いることが望ましい。すなわち、排水の対象となる反応ガスと同種のガスを冷却ガスとして用いることが望ましい。
E3. Modification 3 (Modification regarding the gas flow path to which the invention is applied):
In the first to seventh embodiments, the porous portion is disposed in the gas separator disposed between the single-cell oxidizing
あるいは、セパレータ20とセパレータ22との両方に、実施例の多孔質部と同様の多孔質部を設けることとしても良い。このような構成とすれば、単セル内酸化ガス流路40と単セル内燃料ガス流路42の両方において、多孔質部を介して冷却ガスに水分を移動させる効率を向上させる同様の効果を得ることができる。このとき、冷却ガス圧を、燃料ガス圧および酸化ガス圧よりも充分に低くすれば、燃料ガスと酸化ガスとが混じり合うことを防止可能となる。
Or it is good also as providing the porous part similar to the porous part of an Example in both the
E4.変形例4:
第1ないし第7実施例では、セル間冷却ガス流路と単セル内酸化ガス流路40とを接続する接続流路82を設けているが、この接続流路82は、例えば、燃料電池の積層方向端部の一方において、冷却ガス排出マニホールド端部と酸化ガス供給マニホールド端部とを接続して形成することができる。あるいは、燃料電池を構成するスタック内で、各セル面内において、接続流路82を設けることも可能である。
E4. Modification 4:
In the first to seventh embodiments, the
E5.変形例5:
第1ないし第7実施例では、燃料電池は固体高分子型燃料電池としたが、異なる種類の燃料電池に適用することも可能である。セパレータを含む部材を積層して構成する燃料電池であって、発電中に反応ガス流路中の水分量が増加し、燃料電池を冷却するために冷却ガスを用いる燃料電池であれば、本発明を適用して同様の効果を得ることができる。特に、多孔質部を介して供給された水分を含有した冷却ガスを反応ガスとして用いる構成を、湿潤状態で用いる電解質層を備える燃料電池に適用する場合には、電解質層の水分不足を防止する効果が得られる。
E5. Modification 5:
In the first to seventh embodiments, the fuel cell is a polymer electrolyte fuel cell, but it can also be applied to different types of fuel cells. The present invention is a fuel cell configured by stacking members including a separator, the amount of water in the reaction gas channel being increased during power generation, and a fuel cell that uses a cooling gas to cool the fuel cell. The same effect can be obtained by applying. In particular, when applying a configuration in which a cooling gas containing moisture supplied through the porous portion is used as a reaction gas to a fuel cell including an electrolyte layer used in a wet state, the moisture shortage of the electrolyte layer is prevented. An effect is obtained.
10…単セル
12…MEA
13,14…ガス拡散層
20,22,120,220,320,420…セパレータ
22a,22b…孔部
24a,24b…孔部
26a,26b…孔部
28a,28b…孔部
30,130,230,330…酸化ガス流路形成部
32,33…冷却液流路形成部
34,35…冷却ガス流路形成部
36…凸部
38…シール部材
40…単セル内酸化ガス流路
42…単セル内燃料ガス流路
44…酸化ガス供給マニホールド
46…酸化ガス排出マニホールド
50…冷却ガス上流領域
52,452…多孔質部
53…多孔質領域
54…冷却ガス下流領域
60…燃料電池スタック
61…冷却液循環部
62…燃料ガス供給部
63…流量調整弁
64…ブロワ
65…循環ポンプ
66…熱交換器
68…制御部
70…燃料ガス流路
72…酸化ガス流路
74…冷却ガス流路
76…冷却液流路
80…空気流路
82…接続流路
84…分岐流路
136,137,237…凸部
337…多孔流路部
10 ...
13, 14 ...
Claims (14)
電解質層と、
該電解質層との間に電極を挟んで隣接し、
電気化学反応で利用する反応ガスが流れる反応ガス流路を形成する第1の面と、冷却ガスが流れる冷却ガス流路を形成する第2の面とを有すると共に、
ガス不透過な緻密部材から成る基材を備える緻密領域と、前記反応ガス流路と前記冷却ガス流路との間を連絡するように設けられた多孔質領域とを有し、
前記第1の面では、前記反応ガス流路として、前記緻密領域に形成される流路と前記多孔質領域に形成される流路とが連続して成る流路を形成するガスセパレータと、
を備え、さらに、
前記多孔質領域に形成される前記反応ガス流路において、前記緻密領域に形成される前記反応ガス流路に比べて、前記反応ガスの流れによる該反応ガスの流れ方向への水分の移動を抑える水分排出抑制部として、前記多孔質領域に形成される前記反応ガス流路における前記反応ガスの流速を、前記緻密領域に形成される前記反応ガス流路における前記反応ガスの流速に比べて低下させる流速低下部を備える燃料電池。 A fuel cell,
An electrolyte layer;
Adjacent the electrode between the electrolyte layer,
Having a first surface that forms a reaction gas flow path through which a reaction gas used in an electrochemical reaction flows, and a second surface that forms a cooling gas flow path through which a cooling gas flows;
A dense region comprising a base material composed of a gas-impermeable dense member, and a porous region provided so as to communicate between the reaction gas flow channel and the cooling gas flow channel,
In the first surface, as the reaction gas flow path, a gas separator that forms a flow path in which a flow path formed in the dense area and a flow path formed in the porous area are continuously formed;
In addition,
The reaction gas flow path formed in the porous region suppresses the movement of moisture in the flow direction of the reaction gas due to the flow of the reaction gas, compared to the reaction gas flow channel formed in the dense region. As a moisture discharge suppression unit, the flow rate of the reaction gas in the reaction gas channel formed in the porous region is reduced as compared with the flow rate of the reaction gas in the reaction gas channel formed in the dense region. A fuel cell including a flow velocity reduction unit.
前記流速低下部は、前記緻密領域に形成される前記反応ガス流路の流路断面よりも流路断面が大きく形成された前記多孔質領域における前記反応ガス流路である
燃料電池。 The fuel cell according to claim 1, wherein
The flow velocity reduction portion is the reaction gas channel in the porous region in which a channel cross section is formed larger than a channel cross section of the reaction gas channel formed in the dense region.
前記ガスセパレータは、前記第1の面に、前記緻密領域および前記多孔質領域にわたって、前記ガス流路を形成するための凹部を有し、
前記流速低下部は、前記緻密領域に設けられた前記凹部に比べて深く形成されている前記多孔質領域に設けられた前記凹部によって形成される前記反応ガス流路である
燃料電池。 The fuel cell according to claim 2, wherein
The gas separator has a recess for forming the gas flow path over the dense region and the porous region on the first surface,
The flow velocity reduction portion is the reaction gas flow path formed by the recess provided in the porous region that is formed deeper than the recess provided in the dense region.
電解質層と、
該電解質層との間に電極を挟んで隣接し、
電気化学反応で利用する反応ガスが流れる反応ガス流路を形成する第1の面と、冷却ガスが流れる冷却ガス流路を形成する第2の面とを有すると共に、
ガス不透過な緻密部材から成る基材を備える緻密領域と、前記反応ガス流路と前記冷却ガス流路との間を連絡するように設けられた多孔質領域とを有し、
前記第1の面では、前記反応ガス流路として、前記緻密領域に形成される流路と前記多孔質領域に形成される流路とが連続して成る流路を形成するガスセパレータと、
を備え、さらに、
前記多孔質領域に形成される前記反応ガス流路において、前記緻密領域に形成される前記反応ガス流路に比べて、前記反応ガスの流れによる該反応ガスの流れ方向への水分の移動を抑える水分排出抑制部として、所定方向に向かう前記反応ガスの流れを、前記多孔質領域に形成される前記反応ガス流路において妨げるガス流妨害部を備える燃料電池。 A fuel cell,
An electrolyte layer;
Adjacent the electrode between the electrolyte layer,
Having a first surface that forms a reaction gas flow path through which a reaction gas used in an electrochemical reaction flows, and a second surface that forms a cooling gas flow path through which a cooling gas flows;
A dense region comprising a base material composed of a gas-impermeable dense member, and a porous region provided so as to communicate between the reaction gas channel and the cooling gas channel;
In the first surface, as the reaction gas flow path, a gas separator that forms a flow path in which a flow path formed in the dense area and a flow path formed in the porous area are continuously formed;
In addition,
The reaction gas flow path formed in the porous region suppresses the movement of moisture in the flow direction of the reaction gas due to the flow of the reaction gas, compared to the reaction gas flow channel formed in the dense region. A fuel cell comprising a gas flow obstructing unit that prevents a flow of the reaction gas toward a predetermined direction in the reaction gas flow path formed in the porous region as a moisture discharge suppressing unit.
前記ガスセパレータは、前記第1の面において、前記緻密領域に、前記反応ガス流路を形成するための凹部を形成すると共に、前記多孔質領域に、前記反応ガス流路を形成して内部を前記反応ガスが通過する多孔質部を有し、
前記ガス流妨害部は、前記凹部に連続して設けられた前記多孔質部である
燃料電池。 The fuel cell according to claim 4, wherein
The gas separator has a concave portion for forming the reaction gas flow channel in the dense region on the first surface, and the reaction gas flow channel is formed in the porous region to form an interior. A porous portion through which the reaction gas passes;
The gas flow obstructing part is the porous part provided continuously in the concave part.
前記冷却ガス流路と前記反応ガス流路とを接続し、前記冷却ガス流路を通過した冷却ガスを前記反応ガスとして前記反応ガス流路に導く接続流路をさらに備える
燃料電池。 A fuel cell according to any one of claims 1 to 5,
A fuel cell further comprising: a connection channel that connects the cooling gas channel and the reaction gas channel and guides the cooling gas that has passed through the cooling gas channel to the reaction gas channel as the reaction gas.
前記反応ガスは、酸素を含有する酸化ガスである
燃料電池。 The fuel cell according to any one of claims 1 to 6,
The reaction gas is an oxidizing gas containing oxygen.
前記多孔質領域は、前記緻密領域に形成される前記反応ガス流路に比べて、下流側の前記反応ガス流路を形成する
燃料電池。 The fuel cell according to any one of claims 1 to 7,
The porous region forms the reaction gas channel on the downstream side as compared with the reaction gas channel formed in the dense region.
前記多孔質領域における前記冷却ガス流路の下流側に対応する領域に、前記反応ガス流路内での水分の滞留を防止する水分滞留防止部として、前記冷却ガス流路の上流側に対応する領域に形成された前記反応ガス流路に比べて流路断面積が小さく形成された前記反応ガス流路を備える
燃料電池。 The fuel cell according to any one of claims 1 to 8, further comprising:
In the porous region, the region corresponding to the downstream side of the cooling gas channel corresponds to the upstream side of the cooling gas channel as a moisture retention preventing part for preventing the retention of moisture in the reaction gas channel. A fuel cell comprising the reactive gas flow channel having a flow channel cross-sectional area smaller than the reactive gas flow channel formed in a region.
前記冷却ガス流路は、前記ガスセパレータの前記第2の面において、前記多孔質領域内に形成されており、
前記燃料電池は、さらに、
前記冷却ガス流路の上流側に比べて下流側で、前記多孔質領域を介した前記反応ガス流路から前記冷却ガス流路への水分の移動を促進する水分移動促進部として、前記冷却ガス流路の上流側よりも下流側において冷却ガスの流速を速くする冷却ガス流速調整部を備える
燃料電池。 The fuel cell according to any one of claims 1 to 9 ,
The cooling gas flow path is formed in the porous region on the second surface of the gas separator,
The fuel cell further includes:
The cooling gas as a moisture movement promoting part that promotes the movement of moisture from the reaction gas channel to the cooling gas channel via the porous region on the downstream side compared to the upstream side of the cooling gas channel. A fuel cell comprising a cooling gas flow rate adjustment unit that increases a flow rate of cooling gas on the downstream side of the upstream side of the flow path.
前記冷却ガス流速調整部は、前記冷却ガス流路の上流側よりも下流側において、前記冷却ガス流路の冷却ガス流れ方向における流路断面積を絞る流路面積絞り部である
燃料電池。 The fuel cell according to claim 10, wherein
The cooling gas flow rate adjustment unit is a channel area throttle unit that throttles a channel cross-sectional area in the cooling gas flow direction of the cooling gas channel on the downstream side of the upstream side of the cooling gas channel.
前記冷却ガス流路は、前記ガスセパレータの前記第2の面において、前記多孔質領域内に形成されており、
前記燃料電池は、
前記冷却ガス流路の上流側に比べて下流側で、前記多孔質領域を介した前記反応ガス流路から前記冷却ガス流路への水分の移動を促進する水分移動促進部として、前記冷却ガス流路の下流側を形成する領域の方が上流側を形成する領域に比べて、気孔径および/または気孔率が大きい前記多孔質領域を備える
燃料電池。 The fuel cell according to any one of claims 1 to 9 ,
The cooling gas flow path is formed in the porous region on the second surface of the gas separator,
The fuel cell is,
Downstream than on the upstream side of the pre-Symbol cooling gas flow path, as a moisture transfer-promoting portion that promotes the movement of moisture into the cooling gas flow path from said porous the reactant gas flow path through the area, the cooling A fuel cell comprising the porous region in which a region forming a downstream side of a gas flow path has a larger pore diameter and / or porosity than a region forming an upstream side.
前記冷却ガス流路は、前記ガスセパレータの前記第2の面において、前記多孔質領域内に形成されており、
前記燃料電池は、さらに、
前記冷却ガス流路の上流側に比べて下流側で、前記多孔質領域を介した前記反応ガス流路から前記冷却ガス流路への水分の移動を促進する水分移動促進部として、前記ガスセパレータの前記第2の面において前記冷却ガス流路を形成する構造であって、上流側よりも下流側における流路表面積が大きくなる前記冷却ガス流路を形成する冷却ガス流路形成部を備える
燃料電池。 The fuel cell according to any one of claims 1 to 9 ,
The cooling gas flow path is formed in the porous region on the second surface of the gas separator,
The fuel cell further includes:
The gas separator as a moisture movement promoting part that promotes the movement of moisture from the reaction gas channel to the cooling gas channel via the porous region on the downstream side compared to the upstream side of the cooling gas channel. And a cooling gas flow path forming portion for forming the cooling gas flow path having a flow path surface area on the downstream side larger than that on the upstream side. battery.
ガス不透過な緻密部材から成る基材を備える緻密部と、
前記第1の面および第2の面の間で水分の移動を許容するように配設された多孔質部と、
前記緻密部と前記多孔質部にわたって前記第1の面上に前記電極との間で流体流路を形成すると共に、前記多孔質部に形成される前記流体流路の流路断面積が、前記緻密部に形成される前記流体流路の流路断面積よりも大きくなる形状を有する流路形成部と
を備えるセパレータ。 A gas separator for a fuel cell that has a first surface and a second surface and is laminated together with a member that forms an electrolyte layer and an electrode to form a fuel cell,
A dense portion including a base material composed of a gas impermeable dense member;
A porous portion arranged to allow movement of moisture between the first surface and the second surface;
A fluid channel is formed between the electrode on the first surface over the dense part and the porous part, and a channel cross-sectional area of the fluid channel formed in the porous part is And a flow path forming part having a shape that is larger than the flow path cross-sectional area of the fluid flow path formed in the dense part.
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