JP4645007B2

JP4645007B2 - Fuel cell

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Publication number: JP4645007B2
Application number: JP2003104992A
Authority: JP
Inventors: 剛金井
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2003-04-09
Filing date: 2003-04-09
Publication date: 2011-03-09
Anticipated expiration: 2023-04-09
Also published as: JP2004311279A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池に関する。さらに詳しくは、発電体とセパレータとが積層されたスタック構造を有する燃料電池において、発電体とセパレータとが積層される積層方向に関して燃料電池の温度分布を略均一にすることができる燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池は、例えば水素ガスの如き燃料ガスと空気に含まれる酸素ガスの如き酸化剤ガスを電気化学的に反応させることにより発電を行う発電素子である。燃料電池は、発電により生成される生成物が水であることから環境を汚染することがない発電素子として近年注目されている。
【０００３】
また、燃料電池は発電セルを複数結合させることにより、出力される電力量を高めることが可能である。例えば固体高分子電解質膜の両面に電極を形成してなる接合体を発電体とし、発電体をセパレータで挟みこんで発電セルを形成して、これら発電セルが積層されたスタック構造を有する燃料電池も開発されている。
【０００４】
このような燃料電池は水素と酸素の化学反応によって発電を行うため、化学反応による損失分や発電セルを構成する材料の電気抵抗などによって発熱し発電セルの温度が上昇する。発電セルの温度上昇は、燃料電池を安定して動作させるためには好ましくなく、例えば固体高分子電解質膜と固体高分子電解質膜を挟む電極とから構成される発電体を有する固体高分子型燃料電池においては、固体高分子電解質膜に含まれる水分量が温度上昇と共に減少し、ドライアップと呼ばれる不具合を招く場合がある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述したスタック構造を有する燃料電池においては、複数の発電セルにより同時に発電を行うことから燃料電池の発熱量も大きく、さらに発電セルが積層されていることにより放熱される割合が燃料電池の各部で異なる。したがって、燃料電池の各部に温度差が生じることになり、各発電セルが駆動される際の温度条件がそれぞれの発電セルで異なる。特に、発電体とセパレータとが積層される積層方向に関して温度を均一に維持することが難しく、燃料電池の略中央付近に配設される発電セルの温度が他の発電セルに比べて高くなる傾向にある。このように他の発電セルより温度が高い発電セルは不具合を生じ易く、各発電セルが直列接続されてなる燃料電池全体の不具合に繋がる。
【０００６】
また、スタック構造を有する燃料電池を構成する発電セルの温度にばらつきが生じた場合には各発電セルの駆動状態にばらつきが生じ、さらに発電セルの駆動状態のばらつきにより温度のばらつきが生じるという解決困難な問題が生じることになる。
【０００７】
さらに、燃料電池の温度上昇を低減するためには、発電セルを構成するセパレータに放熱フィンを設けて各発電セルで発生した熱を放熱する技術も考案されているが、特にセパレータと発電体とが積層される積層方向に関して燃料電池を均一な温度に維持するように発熱量と放熱量とのバランスを保つことは困難である。したがって、燃料電池が発電を行う際に各発電セルに温度差が生じ、特定の発電セルにおいてドライアップの如き不具合が生じることもあり、燃料電池の信頼性の低下にも繋がる。
【０００８】
よって、本発明はかかる実情を鑑み、スタック構造を有する燃料電池の温度を均一にすることにより安定した状態で発電を行うことができる燃料電池を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明にかかる第１の燃料電池は、発電体にセパレータを介して他の発電体を積層してなる燃料電池であって、セパレータは、溝部及び溝部に繋がると共に溝部よりも幅広に形成された開口部によって構成された、発電体に酸化剤を供給するための酸化剤供給路を有し、溝部及び開口部の断面積が、発電体とセパレータの積層方向の中央から外側になるほど小さく形成されていることを特徴とする。
本発明にかかる燃料電池によれば、セパレータが有する酸化剤供給路の溝部及び開口部の断面積が、発電体とセパレータの積層方向の中央から外側になるほど小さく形成されていることにより外側に配設されているセパレータの酸化剤供給路に流れる酸化剤の流量が少なくなる。
各セパレータ中で流れる酸化剤の流量が異なることにより、酸化剤を介して燃料電池から排熱される熱量を燃料電池の各部で調節することが可能であり、燃料電池の各部における温度に殆ど差が生じないように燃料電池の全体の温度を均一に維持することができる。
【００１１】
本発明にかかる燃料電池においては、酸化剤供給路は、セパレータの一の側面から他の側面に亘って略直線状に形成されて一の側面と他の側面にそれぞれ開口することを特徴とする。このような燃料電池によれば、燃料電池の側面から酸化剤供給路を介して酸化剤が供給されて、排出される。したがって、燃料電池によって発電が行われる際に酸化剤を介して燃料電池の外部に排熱することが可能となる。
【００１３】
このような燃料電池においては、酸化剤供給路の溝部及び開口部の断面の幅寸法は、燃料電池を構成する各セパレータで互いに略等しく、断面の高さ寸法は、酸化剤供給路を有するセパレータに対して燃料電池の外側に配設されるセパレータが有する酸化剤供給路の溝部及び開口部の断面の高さ寸法に比べて大きいことを特徴とする。このような酸化剤供給路によれば、セパレータが発電体に接する接触面積を各セパレータで略一定にすることにより各発電セルとセパレータとの接触面積を均一とすることができ、さらに発電体とセパレータとの接触領域における電気抵抗を略一定することにより燃料電池に電流が流れる際の発熱ばらつきを低減することができる。さらにまた、燃料電池の中央付近に配設されるセパレータほど酸化剤供給路を構成する溝部及び開口部の断面積を大きくすることにより酸化剤の流量を増大させ、燃料電池の中央付近に配設されて温度が上昇し易い発電セルからの放熱量を増大させることが可能となる。
【００１４】
本発明にかかる燃料電池においては、セパレータの厚み寸法は、セパレータに対して燃料電池の外側に位置するセパレータの厚み寸法に比べて厚いことを特徴とする。このような燃料電池によれば、燃料電池の内側に配設されたセパレータほど伝熱面積を大きくすることができ、熱が放熱され難い燃料電池の中央付近からの放熱量を大きくすることが可能となる。したがって、燃料電池の各部における温度のばらつきを低減することができ、燃料電池全体の温度を均一にすることが可能となる。
【００１５】
本発明にかかる第２の燃料電池は、発電体にセパレータを介して他の発電体を積層してなる燃料電池であって、酸化剤供給路を構成する溝部及び溝部に繋がると共に溝部よりも幅広に形成された開口部の断面積が発電体とセパレータの積層方向の中央から外側になるほど小さく形成されていると共に、各セパレータにはそれぞれ酸化剤供給手段が設けられ、酸化剤供給手段は、発電体とセパレータの積層方向において中央から外側になるほど少ない流量の酸化剤を供給することを特徴とする。
このような燃料電池によれば、発電体に供給されて、排出される酸化剤の流量を酸化剤供給路の溝部及び開口部の断面積に応じて調節することができるだけでなく、各セパレータに配設された酸化剤供給手段により燃料電池の外側に配設されたセパレータに、少ない流量の酸化剤を供給して、酸化剤を介して放熱される熱量を調節することができる。
このような酸化剤供給手段によれば、酸化剤供給路の断面積の違いによる燃料電池の温度の調整に比べて、精度よく温度の調整を行うことが可能となり、さらに燃料電池の温度を均一にすることができる。また、開口部が溝部よりも幅広に形成されることにより、外部から溝部に空気を取り込む際の空気の流動を阻害する抵抗を低減することができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明にかかる燃料電池について図面を参照しながら説明する。
【００２０】
図１は、本発明にかかる燃料電池の一例を示す分解斜視図である。燃料電池１０は、燃料電池本体とされる発電部７０と、発電部７０に発電を行わせるための各種機器として筐体２０、制御基板３０、空気供給ファン５１，５２，５３、水素パージバルブ５４、レギュレータ５５及び手動バルブ５６とを基台５７に搭載した燃料電池とされる。発電部７０に空気を供給する空気供給ファン５１，５２，５３は発電部７０の側面に沿って隣り合うように配設されるとともに、水素パージバルブ５４、レギュレータ５５及び手動バルブ５６が発電部７０の端面に沿って隣り合うように配設されている。燃料電池１０は、燃料としての水素ガスを吸蔵させた水素吸蔵カートリッジ６０から手動バルブ５６によって開かれた流路を介して燃料ガスとされる水素ガスを受け取り、発電を行う。また、レギュレータ５５は、水素吸蔵カートリッジ６０から供給される水素ガスの圧力を調整し、水素ガスを所要の圧力で発電部７０に供給する。水素パージバルブ５４は、水素ガスが流動される流路に水分が蓄積された場合に水素ガスをパージして水分を排出し、流路を確保する。なお、本発明にかかる燃料電池は、発電部７０の如き燃料電池本体に特徴を有することから、発電部７０について例を示しながらさらに詳細に後述する。
【００２１】
図１及び図２に示すように、筐体２０は略直方体形状の外形とされ、燃料電池１０に搭載される各種機器を覆うように内部が空洞とされると共に底面が開放されている。筐体２０は排気口２１，２２，２３、吸気口２４を備え、筐体２０の上面の端部は排気口２１，２２，２３が形成された側面に向かう傾斜面とされる。図２（ａ）に示すように、排気口２１，２２，２３は筐体２０の側面において隣り合うように形成され、発電部７０によって発電が行われた後の空気の吐き出し口とされる。排気口２１，２２，２３は、筐体２０の側面に略矩形状に開口し、上下方向に複数形成されている。また、排気口２１，２２，２３は筐体２０の側面の中央から上方向及び下方向に沿って順次長手方向の寸法が短くなるように形成されている。
【００２２】
さらに、図２（ｂ）に示すように、吸気口２４は、筐体２０の排気口２１、２２，２３と対面するように筐体２０の側面に形成され、燃料電池１０に空気を取り込む取り込み口とされる。また、吸気口２４は、筐体２０の側面に略矩形状に開口し、上下方向に複数形成されている。
【００２３】
また、図１、図２（ｃ）及び（ｄ）に示すように、筐体２０の端面には燃料電池１０と外部との間で各種信号を送受信するための配線が通される接続孔２６が形成されている。さらに、筐体２０の他の端面にも所要の接続孔２８を形成することもできる。
【００２４】
図１に示すように、制御基板３０には燃料電池１０を構成する各種機器を制御するための制御回路が形成され、制御基板３０は発電部７０の上側に配設される。制御基板３０が搭載する制御回路については図中において詳細に示さないが、制御基板３０は、例えば空気供給ファン５１，５２，５３を駆動させる際の制御回路、或いは水素パージバルブ５４の開閉動作の制御回路、発電部７０により出力された電圧を昇圧するＤＣ／ＤＣコンバータの如き電圧変換回路、さらに燃料電池１０に温度センサ及び湿度センサが配設されている場合にはこれらセンサにて検知された温度や湿度などの各種環境条件に基づいて各種機器を制御する制御回路を搭載することもできる。また、制御基板３０は燃料電池１０の内部に配設されるが、燃料電池１０の外部に配設されていても良く、例えば、燃料電池１０から駆動用の電力が提供される各種電子機器に制御基板３０を搭載することもできる。
【００２５】
次に、発電部７０について、図３乃至図６を参照しながら説明する。図３は、発電部７０の概観を示す斜視図であり、図４は発電部７０の一部を示す分解斜視図、図５は発電部７０を構成するセパレータの基本的な構造を示す平面図、図６は発電部７０を側面側からみた側面図である。
【００２６】
図３に示すように、発電部７０は、セパレータ７１ａ，７１ｂ，７１ｃ，７１ｄ，７１ｅ，７１ｆ，７１ｇ，７１ｈ，７１ｉ及び発電体７２が積層された構成を有しており、９枚のセパレータ７１ａ〜７１ｉの間にそれぞれ発電体７２が挟みこまれて発電を行う発電セルが８個直列に接続されている。また、発電部７０は略直方体とされる外形を有し、発電部７０の上側及び下側にはそれぞれ板状部材７３，７４が配設されている。発電部７０の上半分を構成するセパレータ７１ａ〜７１ｄは、積層方向に関して発電部７０の中央から上側に向かってセパレータ７１ｄ，７１ｃ，７１ｂ，７１ａの順にそれぞれ発電体７２を挟み込むように積層されている。発電部７０の下半分は、積層方向に関して中央から下側に向かってセパレータ７１ｅ，７１ｆ，７１ｇ，７１ｈ，７１ｉの順で各セパレータがそれぞれ発電体７２を挟み込むようにして構成されている。なお、最も下側に配設されるセパレータ７１ｉは、セパレータ７１ｉの上面に配設される発電体７２に燃料ガスを供給するためのセパレータであり、発電体７２の空気極に酸素を供給するための溝部及び溝部がセパレータの側面に開口する開口部は形成されていない。
【００２７】
発電部７０においては、最も下側に配設されるセパレータ７１ｉを除いて、発電部７０の上半分を構成するセパレータ７１ａ〜７１ｄと下半分を構成するセパレータ７１ｅ〜７１ｈとは、それぞれ積層方向に関して燃料電池本体の中央から上側及び中央から下側のそれぞれに向かって順に同様の厚み寸法を有するセパレータとされる。例えば、セパレータ７１ｄ及びセパレータ７１ｅが同じ厚み寸法を有するセパレータとされ、同様にセパレータ７１ｃ及びセパレータ７１ｆ、セパレータ７１ｂ及びセパレータ７１ｇ、セパレータ７１ａ及びセパレータ７１ｈの各セパレータの組み合わせが、それぞれ同じ厚み寸法のセパレータの組み合わせとされる。なお、発電部７０において、セパレータ７１ａ〜７１ｄと発電体７２で構成される上半分と、セパレータ７１ｅ〜７１ｈと発電体７２で構成される下半分とは同様の構成とされていることから、発電部７０の上半分について詳細に説明する。
【００２８】
発電部７０の側面７５には、セパレータ７１ａ，７１ｂ，７１ｃ，７１ｄの側面に複数形成された開口部７６ａ，７６ｂ，７６ｃ，７６ｄが臨む。発電部７０の側面７５に対して反対側に位置する側面にも開口部７６ａ，７６ｂ，７６ｃ，７６ｄと対をなす開口部が形成されている。開口部７６ａ，７６ｂ，７６ｃ，７６ｄはセパレータ７１ａ，７１ｂ，７１ｃ，７１ｄに形成された溝部が発電部７０の側面７５に開口する開口部であり、開口部７６ａ，７６ｂ，７６ｃ，７６ｄと対をなして発電部７０の反対側の側面に臨む開口部もセパレータ７１ａ，７１ｂ，７１ｃ，７１ｄに形成された溝部の開口部である。このような溝部は、発電部７０の内部に空気を流動させるための流路とされ、これら溝部には開口部７６ａ，７６ｂ，７６ｃ，７６ｄが臨む側面７５に沿って配設された空気供給ファン５１，５２、５３によって空気が流動される。
【００２９】
図４に示すように、固体高分子電解質膜７２ｂの上側に配設される電極７２ｃは、セパレータ７１ｂ，７１ｃからそれぞれ空気が供給される空気極とされる。また、発電部７０を構成する発電セルは、２枚のセパレータとセパレータに挟み込まれる発電体によって形成され、例えば、図４に示すように、セパレータ７１ｄ，７１ｃ及び発電体７２により１つの発電セル９０ａを構成し、セパレータ７１ｃ，７１ｂ及び発電体７２により別の発電セル９０ｂを１つ構成する。また、発電体７２は、発電体とセパレータとを積層した際にセパレータ７１ｄ，７１ｃ，７１ｂと発電体７２との間を封止する封止部材７２ａを備えている。このようにして構成される発電セルが直列接続されることにより発電部７０が構成されている。なお、図４には発電部７０の一部のみを示しているが、発電部７０を構成する他のセパレータ及び発電体も同様にして発電セルを構成している。
【００３０】
セパレータ７１ｄ，７１ｃに形成された溝部８３ｄ，８３ｃは、燃料ガスとされる水素ガスをセパレータ７１ｄ，７１ｃから発電体７２にそれぞれ供給するための流路とされる。また、セパレータ７１ｂの上面に形成された溝部８３ｂもセパレータ７１ｂの上面と接するように配設される発電体に燃料を供給する。溝部８３ｄ，８３ｃ，８３ｂは、発電反応の効率を高めるためにセパレータ７１ｄ，７１ｃ，７１ｂの表面内を蛇行するように形成されており、水素ガスを発電体の燃料極全体に供給する。供給孔８２は、他のセパレータに形成された供給孔と接続されて供給路を形成し、発電部７０の外部に設けられた水素吸蔵カートリッジ６０の如き水素ガス貯蔵部から溝部８３ｄ，８３ｃ，８３ｂに水素ガスを供給する。また、排出孔８１は、他のセパレータに形成された排出孔と接続されて排出路を形成し、発電に使用された水素ガスを装置外部に排出する。
【００３１】
続いて、図５を参照しながら発電部７０を構成するセパレータ７１ａ〜７１ｈの基本的な構造について詳細に説明する。図５（ａ）に示すように、セパレータ９３が発電体と接する表面、すなわち発電体の空気極に接する面には、セパレータ９３の長手方向Ｌに沿って溝部９９が複数形成されている。溝部９９は、セパレータ９３の幅方向Ｗに沿って略直線状に延在されてセパレータ９３の両方の側面に開口する開口部１００，１０１を有する。セパレータ９３は、溝部９９が形成された表面で発電体の空気極と接するように発電部７０に配設され、開口部１００，１０１を介して溝部９９に空気が流動されることにより、発電体の空気極の略面内全体に酸素が供給されて発電が行われる。開口部１００，１０１はセパレータ９３と発電体とを積層した際に発電部７０の側面に開口し、発電部７０の側面側から空気が供給され、或いは吸い出されることにより溝部９９に空気が流動される。
【００３２】
さらに、図５（ａ）に示すように、一枚のセパレータ９３に形成された溝部９９の幅寸法Ｗ_１は互いに略等しく、さらに溝部９９がセパレータ９３の側面に開口した開口部１００，１０１の幅寸法Ｗ_２も互いに略等しい。溝部９９の高さ寸法、すなわち溝部９９の図中紙面に対して奥行き方向に沿った深さ寸法も一枚のセパレータ９３に形成された各溝部９９については互いに略等しい。したがって、セパレータ９３の長手方向Ｌに沿った平面によってセパレータ９３を切断した場合、一枚のセパレータ９３に形成された溝部９９の断面積は互いに略等しい。また、溝部９９と同様に略矩形状を有する開口部１００，１０１の断面積も、一枚のセパレータ９３においては互いに略等しい。このように、一枚のセパレータ９３においては基本的に溝部９９及び開口部１００，１０１がそれぞれ互いに断面積が略等しくなるように形成されるが、発電部７０に配設されるセパレータ９３の位置に応じて溝部９９及び開口部１００，１０１はセパレータ毎に異なる断面積を有するように形成される。発電部７０においてセパレータ９３が積層された位置に応じて溝部９９及び開口部１００，１０１の断面積をセパレータ毎に変えることにより、各セパレータ間で比較した場合に溝部を流動する空気の流量が異なることとなり、この空気の流量の違いによって各発電セルから外部に放熱される放熱量が調整されることになる。
【００３３】
また、セパレータ９３のように、開口部１００，１０１の幅寸法Ｗ_２を溝部９９の幅寸法Ｗ_１に比べて大きくすることにより、溝部９９が側面に開口する開口部１００，１０１をテーパ形状に形成して溝部９９に外部から空気を取り込む際の空気の流動を阻害する抵抗を低減することもできる。さらにまた、開口部１００，１０１の高さ寸法を溝部９９の高さ寸法より大きめに形成することもできる。また、開口部１００，１０１を溝部９９に比べて幅広とした場合でも、一枚のセパレータ９３に形成される開口部１００，１０１は互いに幅寸法及び高さ寸法が等しくなるように形成される。また、後述するように、セパレータ９３の端部には水素ガスを溝部９８に供給するための燃料供給孔９６ａと、水素ガスを排出するための燃料排出孔９７ａが形成されている。
【００３４】
図５（ｂ）に示すように、溝部９９が形成されたセパレータ９３の裏面側には、発電体に燃料を供給するための溝部９８が形成されている。セパレータ９３は、空気が流動される溝部９９が接する発電体とは別の発電体と溝部９８が形成された表面で接して別の発電セルを構成する。溝部９８は、例えば水素ガスの如き燃料ガスを発電体に供給する溝部であり、発電体の燃料極と接する。本例では発電体の燃料極の略面内全体に燃料を供給することができるようにセパレータ９３の表面内で蛇行した形状とされる。溝部９８の一方の端部には燃料供給孔９６ａの裏面側とされる燃料供給孔９６ｂが臨み、溝部９８に燃料を供給するための燃料供給孔とされる。また、他方の端部には、燃料排出孔９７ａの裏面側とされる燃料排出孔９７ｂが臨み、溝部９８から発電後の燃料及び発電によって発生した生成物を排出する。これら燃料供給孔９６ｂ及び燃料排出孔９７ｂは発電部７０を組み上げた際に他のセパレータに形成された燃料供給孔及び燃料排出孔と接続されて燃料供給路及び燃料排出路を形成する。これら燃料供給路及び燃料排出路は、各セパレータに形成された燃料を供給するための溝部にそれぞれ燃料を一括して供給し、排出して、各発電セルに発電を行わせる。
【００３５】
続いて、図６を参照しながら発電部７０についてさらに詳細に説明する。発電部７０は、９枚のセパレータと、セパレータによって挟まれた８枚の発電体７２により構成されて、８つの発電体が直列接続されている。発電部７０を構成する各セパレータ７１ａ〜７１ｉは、図５を参照しながら説明したセパレータ９３と基本的に同様の構造を有しているが、酸化剤としての酸素を含む空気を発電体に供給して排出するための溝部の断面積が、セパレータが配設される位置に応じて異なっている。また、空気が流動される溝部がセパレータの側面に開口してなる開口部７６ａ〜７６ｈも溝部と同様にセパレータが配設される位置に応じて断面積が異なるように形成されている。セパレータ７１ａ〜７１ｈと発電体７２とが積層される積層方向、すなわち発電部７０の高さ方向について、発電部７０の略中央に配設されるセパレータ７１ｄに形成される開口部７６ｄの幅寸法と、発電体７２を介してセパレータ７１ｄの上側に配設されるセパレータ７１ｃに形成された開口部７６ｃの幅寸法とは略等しく幅寸法Ｗ_３とされる。同様に、開口部７６ａ〜７６ｈの幅寸法も開口部７６ｄ，７６ｃの幅寸法Ｗ_３と等しく、開口部７６ａ〜７６ｈの幅寸法はセパレータが配設される位置に関係なく互いに略等しい。さらに、これら開口部と繋がるように各セパレータに形成された溝部の幅寸法もセパレータが配設される位置に関わらず互いに等しい。
【００３６】
発電部７０の中央に配設されたセパレータが有する開口部の高さ寸法に比べて発電部７０の外側に配設されたセパレータが有する開口部の高さ寸法は小さい。具体的には、セパレータ７１ｄに形成された開口部７６ｄの高さ寸法ｈ_１に比べてセパレータ７１ｄの外側に配設されるセパレータ７１ｃに形成された開口部７６ｃの高さ寸法ｈ_２は小さく、さらにセパレータ７１ｂに形成された開口部７６ｂの高さ寸法ｈ_３は開口部７６ｃの高さ寸法ｈ_２よりさらに小さい。すなわち、発電部７０の外側に配設されるセパレータに形成された開口部ほど断面積が小さい。
【００３７】
また、セパレータ７１ａ〜７１ｈに形成され、空気を発電体に供給して排出するための溝部も、それぞれのセパレータに形成された開口部７６ａ〜７６ｈと同様に発電部７０の外側に配設されるセパレータほど高さ寸法が小さくなるように形成される。このように、上述した積層方向に関して発電部７０の中央に配設されるセパレータに形成された開口部及び溝部の高さ寸法に比べて、発電部７０の外側に配設されるセパレータに形成された開口部及び溝部の高さ寸法が小さくなるように各セパレータに溝部及び開口部が形成されている。
【００３８】
開口部７６ａ〜７６ｈ及びこれら開口部と繋がって各セパレータの幅方向、すなわち図６における紙面に対する奥行き方向に延在される溝部は、発電体７２に酸化剤としての酸素を含む空気を供給して、排出するための酸化剤供給路とされるが、上述したように開口部７６ａ〜７６ｈ及びこれら開口部に繋がる溝部の高さ寸法の違いによって各溝部及び各開口部の断面積が異なり、セパレータが配設される位置に応じて開口部から取り込まれて溝部に流動される空気の流量が各セパレータで異なる。本例の発電部７０においては、積層方向について略中央部に配設されるセパレータ７１ｄに形成された溝部に流動される空気の流量に比べて、発電部７０の外側に配設されるセパレータ７１ｃに形成された溝部に流動される空気の流量が少ない。よって、発電部７０の略中央に配設される発電セルほど流動する空気の流量に応じて放熱量が高められる。
【００３９】
このように、発電部７０に配設されるセパレータの位置に応じて空気を流動させる開口部７６ａ〜７６ｄ及び溝部の断面積が異なることにより、発電部７０が有する開口部の全てに対して一括して空気を供給して排出する場合でも、各セパレータに形成された溝部に流動される空気の流量に差が生じ、各セパレータから放熱される熱量がそれぞれ調整された状態で発電を行うことができる。特に、本例にかかる発電部７０では、発電部７０の中央付近に位置する発電セルの温度上昇が他の発電セルに比べて大きくなる傾向にある。このような温度上昇が他の発電セルより大きい場合には、セパレータと発電体とが積層される積層方向に沿って放熱が効率良く行われない発電セルに対して他の発電セルより空気の供給量を増やし、空気を介した放熱量を増大させることにより温度上昇を抑制することができる。
【００４０】
さらに、発電部７０の外側に配設されるセパレータほど溝部及び開口部の断面積が小さいことにより、溝部に供給される空気が溝部及び開口部の断面積に応じて低減され、各溝部に流動される空気量に応じて放熱量を小さくすることができる。つまり、温度上昇が他のセパレータに比べて大きいセパレータほど放熱量を増大させて、発電部７０の各部の温度をほぼ均一に維持することが可能となる。したがって、発電を行う際に各発電セルによる発電反応が略均一に行われることになり、温度差によって特定の発電セルに不具合が生じることを低減することができ、信頼性が向上された燃料電池本体を搭載した燃料電池を提供することができる。
【００４１】
また、図６に示すように空気を発電体７２に供給して、排出する開口部の幅寸法Ｗ_３及びこれらに繋がる溝部の幅寸法が、発電部７０を構成するセパレータ７１ａ〜７１ｈで互いに略等しいことにより、セパレータ７１ａ〜７１ｈが実質的に発電体と接する接触面積が各発電セルにおいてほぼ等しくなる。よって、発電体７２がセパレータ７１ａ〜７１ｈによって挟み込まれてなる発電セルが直列に直列接続されている発電部７０においては、発電体７２とセパレータ７１ａ〜７１ｄとの接触部における電気抵抗のばらつきが殆どなく、発電によって電力を発電部７０から取り出す際に発電部７０中を積層方向に沿って流れる電流と、セパレータ７１ａ〜７１ｈ及び発電体７２との接触面における電気抵抗とにより生じる発熱量のばらつきを低減することができる。すなわち、各発電セルの温度ばらつきの原因の一つとされるセパレータ７１ａ〜７１ｈ及び発電体７２との接触面における電気抵抗とにより生じる発熱量のばらつきを低減することにより、発電部７０の全体を均一な温度とすることも可能となる。
【００４２】
さらにまた、本例にかかる発電部７０においては、発電部７０の略中央に配設されるセパレータ７１ｄの厚み寸法ｔ_１は、セパレータの外側に配設されるセパレータ７１ｃの厚み寸法ｔ_２に比べて大きく、さらにセパレータ７１ｃの厚み寸法ｔ_２はセパレータ７１ｂの厚み寸法ｔ_３に比べて大きい。すなわち、セパレータが積層される積層方向に関して、発電部７０の中央から外側に配設されるセパレータほど厚みが薄いセパレータを用いることができる。これにより、各セパレータが延在する方向に沿った伝熱量が各セパレータで調整されて発電部７０の温度を均一に維持することができる。なお、各セパレータの厚み寸法を互いに等しくしても良く、この場合でも発電部７０の温度を均一に維持することができる。
【００４３】
また、セパレータ７１ａ〜７１ｈに対して供給される空気の流量を、セパレータ毎に個別に調整しながら供給することもできる。図７は、図５に示したセパレータの開口部１００に酸化剤供給手段としてのファンが配設された状態を示す図であり、溝部９９が延在される方向に沿ってセパレータ９３を切断した際の断面図である。ファン１０３は、支持部１０８によって溝部９９の底面に支持されて開口部１００に臨み、溝部９９に個別に空気を供給する。ファン１０３は、溝部９９に収納されて空気の流動を妨げないサイズを有し、且つ十分な空気を溝部９９に供給可能な出力を備える機構を備えるものであれば如何なるものでもよく、例えば圧電セラミクスを振動させることによりフィンを駆動させる圧電フィンを用いることができる。圧電フィンは小型で十分な出力を有することから本例の如き発電部７０を構成するセパレータには好適な酸化剤供給手段とされる。
【００４４】
よって、セパレータ７１ａ〜７１ｈに個別に酸化剤供給手段を配設して酸化剤の供給量を調整することができる。これにより、酸化剤供給手段をセパレータに配設しない場合に比べて、空気の流量を個別に調整することができ、燃料電池本体の全体の温度をさらに均一に維持しながら発電を行うことができる。
【００４５】
また、図３乃至図６を参照しながら説明した発電部７０を製造する際には、燃料電池本体に配設される位置に合わせて断面積が所定の大きさとなるように開口部及び溝部が形成されたセパレータを積層して燃料電池本体を組み上げればよい。セパレータを積層する際には発電体をセパレータにより挟み込んで発電セルを構成し、これら発電セルが直列接続させて一組の燃料電池本体を構成する。
【００４６】
さらに、発電部７０を組み上げる際に、発電部７０に配設される位置に応じてセパレータ７１ａ〜７１ｈに開口部及び溝部を設け、これら開口部及び溝部の断面積に応じて空気の流量を調節しながら供給することにより、発電部７０の温度を均一となるように維持し、安定した発電を行うことができる。
【００４７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明にかかる燃料電池によれば、発電セルを構成するセパレータに流れる空気の流量を各セパレータに形成される溝部及び開口部の断面積を変えることにより調整することができる。これら溝部及び開口部はセパレータが配設される位置に応じて断面積が異なっており、発電を行う際に放熱されにくい発電部の中央に配設されるセパレータほど溝部及び開口部の断面積が大きくなるように形成されている。よって、セパレータに形成された溝部及び開口部を流れる空気の流量が、セパレータが配設される位置に応じて調整されることになる。すなわち、放熱されにくい位置に配設されるセパレータに形成される溝部及び開口部の断面積を他のセパレータに形成される溝部及び開口部より大きめにすることにより、放熱量を他のセパレータより高めることができ、発電部の全体の温度を略均一にすることができる。このように発電部の温度を均一に維持しながら発電を行うことにより、特定の発電セルに他の発電セルより大きな負荷をかけることなく、発電部を構成する発電セル全体に略均一な状態で発電を行わせることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる燃料電池の一例を示す分解斜視図である。
【図２】同燃料電池を構成する筐体の構造を示す構造図であって、（ａ）は側面図、（ｂ）は他の側面を示す側面図、（ｃ）は端面図、（ｄ）は他の端面を示す端面図である。
【図３】発電部の一例を示す斜視図である。
【図４】発電部の一部の構成を示す分解斜視図である。
【図５】発電部を構成するセパレータの基本的な構造を示す平面図である。
【図６】発電部を側面側から見た側面図である。
【図７】発電部を構成するセパレータに圧電フィンを配設した状態を示す断面図である。
【符号の説明】
１０燃料電池、２０筐体、２１，２２，２３排気口、２４吸気口、３０制御基板、５１，５２，５３空気供給ファン、５４水素パージバルブ、５５レギュレータ、５６手動バルブ、５７基台、６０水素吸蔵カートリッジ、７０発電部、７１ａ，７１ｂ，７１ｃ，７１ｄ，７１ｅ，７１ｆ，７１ｇ，７１ｈ，７１ｉセパレータ、７２ｂ固体高分子電解質膜、７２ｃ電極、７２発電体、７６ａ，７６ｂ，７６ｃ，７６ｄ，７６ｅ，７６ｆ，７６ｇ，７６h 開口部、８３ｂ，８３ｃ，８３ｄ溝部、９０ａ，９０ｂ発電セル、９３セパレータ、９８溝部、９９溝部、１００，１０１開口部、１０３圧電フィン、１０８支持部[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
  The present invention provides a fuel cell.In the pondRelated. More specifically, in a fuel cell having a stack structure in which a power generator and a separator are stacked, a fuel cell that can make the temperature distribution of the fuel cell substantially uniform in the stacking direction in which the power generator and the separator are stacked.In the pondRelated.
[0002]
[Prior art]
A fuel cell is a power generating element that generates power by electrochemically reacting a fuel gas such as hydrogen gas and an oxidant gas such as oxygen gas contained in air. In recent years, fuel cells have attracted attention as power generation elements that do not pollute the environment because the product generated by power generation is water.
[0003]
In addition, the fuel cell can increase the amount of output power by combining a plurality of power generation cells. For example, a fuel cell having a stack structure in which a joined body formed by forming electrodes on both surfaces of a solid polymer electrolyte membrane is used as a power generator, and a power generation cell is formed by sandwiching the power generator between separators, and these power generation cells are stacked. Has also been developed.
[0004]
Since such a fuel cell generates power by a chemical reaction between hydrogen and oxygen, heat is generated due to a loss due to the chemical reaction, an electrical resistance of a material constituting the power generation cell, and the like, and the temperature of the power generation cell rises. An increase in temperature of the power generation cell is not preferable in order to stably operate the fuel cell. For example, a solid polymer fuel having a power generator composed of a solid polymer electrolyte membrane and electrodes sandwiching the solid polymer electrolyte membrane In a battery, the amount of water contained in the solid polymer electrolyte membrane may decrease as the temperature rises, causing a problem called dry-up.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, in the fuel cell having the above-described stack structure, since the power generation is simultaneously performed by a plurality of power generation cells, the amount of heat generated by the fuel cell is large, and the rate of heat dissipation due to the stacked power generation cells is Different in each part. Accordingly, a temperature difference is generated in each part of the fuel cell, and the temperature condition when each power generation cell is driven is different for each power generation cell. In particular, it is difficult to maintain a uniform temperature in the stacking direction in which the power generation body and the separator are stacked, and the temperature of the power generation cell disposed near the center of the fuel cell tends to be higher than that of other power generation cells. It is in. Thus, a power generation cell having a temperature higher than that of other power generation cells is liable to cause a malfunction, leading to a malfunction of the entire fuel cell in which the power generation cells are connected in series.
[0006]
In addition, when the temperature of the power generation cells constituting the fuel cell having the stack structure varies, the driving state of each power generation cell varies, and further, the temperature varies due to the variation of the driving state of the power generation cell. Difficult problems will arise.
[0007]
Furthermore, in order to reduce the temperature rise of the fuel cell, a technology for dissipating the heat generated in each power generation cell by providing heat dissipation fins in the separator constituting the power generation cell has been devised. It is difficult to maintain a balance between the amount of heat generated and the amount of heat released so as to maintain the fuel cell at a uniform temperature in the stacking direction in which the fuel cells are stacked. Therefore, when the fuel cell generates power, a temperature difference is generated in each power generation cell, and a problem such as dry-up may occur in a specific power generation cell, leading to a decrease in the reliability of the fuel cell.
[0008]
  Therefore, in view of such circumstances, the present invention provides a fuel cell capable of generating power in a stable state by making the temperature of the fuel cell having a stack structure uniform.PondThe purpose is to provide.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
  According to the present inventionFirstThe fuel cell is a fuel cell in which another power generator is stacked on the power generator via a separator, and the separator is configured by a groove and an opening formed wider than the groove and connected to the groove. It has an oxidant supply path for supplying oxidant to the power generator,grooveAnd the cross-sectional area of the openingThe power generator and the separator are formed so as to be smaller from the center in the stacking direction to the outside.It is characterized by that.
  According to the fuel cell of the present invention,,The cross-sectional area of the groove and opening of the oxidant supply path of the palator isThe flow rate of the oxidant flowing to the oxidant supply path of the separator disposed outside is reduced by forming the power generation body and the separator so as to be smaller from the center in the stacking direction to the outside.
  Since the flow rate of the oxidant flowing in each separator is different, the amount of heat exhausted from the fuel cell via the oxidant can be adjusted in each part of the fuel cell, and there is almost no difference in the temperature in each part of the fuel cell. The entire temperature of the fuel cell can be kept uniform so as not to occur.
[0011]
In the fuel cell according to the present invention, the oxidant supply path is formed in a substantially linear shape from one side surface of the separator to the other side surface, and opens to one side surface and the other side surface, respectively. . According to such a fuel cell, the oxidant is supplied from the side surface of the fuel cell via the oxidant supply path and discharged. Therefore, when power is generated by the fuel cell, heat can be exhausted to the outside of the fuel cell via the oxidant.
[0013]
  In such a fuel cell, the oxidant supply pathGroove and openingThe width dimension of the cross section of each separator constituting the fuel cell is substantially equal to each other, and the height dimension of the cross section is the oxidant included in the separator disposed outside the fuel cell with respect to the separator having the oxidant supply path Supply pathGroove and openingIt is characterized in that it is larger than the height dimension of the cross section. According to such an oxidant supply path, the contact area between the power generation cell and the separator can be made uniform by making the contact area of the separator in contact with the power generation body substantially constant at each separator, and By making the electrical resistance in the contact area with the separator substantially constant, it is possible to reduce variation in heat generation when current flows through the fuel cell. Furthermore, the oxidant supply path is closer to the separator disposed near the center of the fuel cell.Groove and openingBy increasing the cross-sectional area, the flow rate of the oxidant can be increased, and the amount of heat released from the power generation cell which is disposed near the center of the fuel cell and easily rises in temperature can be increased.
[0014]
In the fuel cell according to the present invention, the thickness dimension of the separator is thicker than the thickness dimension of the separator located outside the fuel cell with respect to the separator. According to such a fuel cell, the heat transfer area can be increased as the separator disposed on the inner side of the fuel cell, and the amount of heat released from the vicinity of the center of the fuel cell where heat is not easily radiated can be increased. It becomes. Therefore, the temperature variation in each part of the fuel cell can be reduced, and the temperature of the entire fuel cell can be made uniform.
[0015]
  According to the present inventionSecondA fuel cell is a fuel cell in which another power generator is stacked on a power generator via a separator.,acidThe cross-sectional area of the opening that is connected to the groove portion and the groove portion constituting the agent supply path and is wider than the groove portion isIt is formed smaller as it goes from the center in the stacking direction of the power generator and separator to the outside.At the same time, each separator is provided with an oxidant supply means.Supply an oxidizing agent with a smaller flow rate from the center to the outside in the stacking direction of the power generator and separator.It is characterized by that.
  According to such a fuel cell, not only can the flow rate of the oxidant supplied and discharged to the power generator be adjusted according to the cross-sectional areas of the groove and the opening of the oxidant supply path, but also to each separator. By the provided oxidant supply meansSupplying a small flow rate of oxidant to the separator located outside the fuel cellThus, the amount of heat radiated through the oxidant can be adjusted.
  According to such an oxidant supply means, it becomes possible to adjust the temperature with high accuracy compared to the adjustment of the temperature of the fuel cell due to the difference in the cross-sectional area of the oxidant supply path, and further to make the temperature of the fuel cell uniform. Can be. Further, since the opening is formed wider than the groove, it is possible to reduce resistance that hinders the flow of air when air is taken into the groove from the outside.
[0019]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
  Hereinafter, the fuel cell according to the present invention will be described.In the pondThis will be described with reference to the drawings.
[0020]
FIG. 1 is an exploded perspective view showing an example of a fuel cell according to the present invention. The fuel cell 10 includes a power generation unit 70 serving as a fuel cell main body, a casing 20, a control board 30, air supply fans 51, 52, 53, a hydrogen purge valve 54, as various devices for causing the power generation unit 70 to generate power. The fuel cell has a regulator 55 and a manual valve 56 mounted on a base 57. Air supply fans 51, 52, and 53 that supply air to the power generation unit 70 are disposed adjacent to each other along the side surface of the power generation unit 70, and a hydrogen purge valve 54, a regulator 55, and a manual valve 56 are included in the power generation unit 70. It arrange | positions so that it may adjoin along an end surface. The fuel cell 10 receives hydrogen gas, which is fuel gas, from a hydrogen storage cartridge 60 that has stored hydrogen gas as fuel through a flow path opened by a manual valve 56, and generates power. Further, the regulator 55 adjusts the pressure of the hydrogen gas supplied from the hydrogen storage cartridge 60 and supplies the hydrogen gas to the power generation unit 70 at a required pressure. The hydrogen purge valve 54 purges the hydrogen gas and discharges the water when the water is accumulated in the flow path through which the hydrogen gas flows, and secures the flow path. Since the fuel cell according to the present invention is characterized by a fuel cell body such as the power generation unit 70, the power generation unit 70 will be described later in more detail with an example.
[0021]
As shown in FIGS. 1 and 2, the casing 20 has a substantially rectangular parallelepiped shape. The casing 20 is hollow and the bottom is open so as to cover various devices mounted on the fuel cell 10. The housing 20 includes exhaust ports 21, 22, and 23 and an air inlet 24, and an end portion of the upper surface of the housing 20 is an inclined surface that faces the side surface on which the exhaust ports 21, 22, and 23 are formed. As shown in FIG. 2A, the exhaust ports 21, 22, and 23 are formed so as to be adjacent to each other on the side surface of the housing 20, and serve as air outlets after the power generation unit 70 generates power. The exhaust ports 21, 22, 23 open in a substantially rectangular shape on the side surface of the housing 20, and a plurality of the exhaust ports 21, 22, 23 are formed in the vertical direction. Further, the exhaust ports 21, 22, and 23 are formed so that the longitudinal dimension is sequentially reduced from the center of the side surface of the housing 20 along the upward and downward directions.
[0022]
Further, as shown in FIG. 2B, the intake port 24 is formed on the side surface of the housing 20 so as to face the exhaust ports 21, 22, and 23 of the housing 20, and takes in air into the fuel cell 10. Mouth. In addition, the intake ports 24 are opened in a substantially rectangular shape on the side surface of the housing 20, and a plurality of intake ports 24 are formed in the vertical direction.
[0023]
As shown in FIGS. 1, 2 (c) and 2 (d), a connection hole 26 through which wiring for transmitting and receiving various signals between the fuel cell 10 and the outside is passed through the end surface of the housing 20. Is formed. Furthermore, the required connection hole 28 can also be formed in the other end surface of the housing 20.
[0024]
As shown in FIG. 1, a control circuit for controlling various devices constituting the fuel cell 10 is formed on the control board 30, and the control board 30 is disposed on the upper side of the power generation unit 70. Although the control circuit mounted on the control board 30 is not shown in detail in the drawing, the control board 30 is, for example, a control circuit for driving the air supply fans 51, 52, 53, or controls the opening / closing operation of the hydrogen purge valve 54. Circuit, a voltage conversion circuit such as a DC / DC converter that boosts the voltage output from the power generation unit 70, and, if the fuel cell 10 is provided with a temperature sensor and a humidity sensor, the temperature detected by these sensors It is also possible to mount a control circuit that controls various devices based on various environmental conditions such as humidity and humidity. The control board 30 is disposed inside the fuel cell 10, but may be disposed outside the fuel cell 10. For example, the control board 30 may be installed in various electronic devices provided with driving power from the fuel cell 10. A control board 30 can also be mounted.
[0025]
Next, the power generation unit 70 will be described with reference to FIGS. 3 to 6. 3 is a perspective view showing an overview of the power generation unit 70, FIG. 4 is an exploded perspective view showing a part of the power generation unit 70, and FIG. 5 is a plan view showing a basic structure of a separator constituting the power generation unit 70. FIG. 6 is a side view of the power generation unit 70 as viewed from the side.
[0026]
As shown in FIG. 3, the power generation unit 70 has a configuration in which separators 71a, 71b, 71c, 71d, 71e, 71f, 71g, 71h, 71i and a power generation body 72 are stacked, and nine separators 71a. Eight power generation cells that generate power by sandwiching the power generator 72 between .about.71i are connected in series. The power generation unit 70 has a substantially rectangular parallelepiped shape, and plate-like members 73 and 74 are disposed on the upper side and the lower side of the power generation unit 70, respectively. Separator 71a-71d which comprises the upper half of the electric power generation part 70 is laminated | stacked so that the electric power generation body 72 may be inserted | pinched in order of the separators 71d, 71c, 71b, 71a toward the upper side from the center of the electric power generation part 70 regarding the lamination direction, respectively. . The lower half of the power generation unit 70 is configured such that each separator sandwiches the power generation body 72 in the order of separators 71e, 71f, 71g, 71h, 71i from the center to the lower side in the stacking direction. The lowermost separator 71i is a separator for supplying fuel gas to the power generator 72 disposed on the upper surface of the separator 71i, and supplies oxygen to the air electrode of the power generator 72. The groove part and the opening part which the groove part opens to the side surface of the separator are not formed.
[0027]
In the power generation unit 70, the separators 71a to 71d that constitute the upper half of the power generation unit 70 and the separators 71e to 71h that constitute the lower half are separated with respect to the stacking direction, except for the separator 71i disposed on the lowermost side. The separators have similar thickness dimensions in order from the center to the upper side and from the center to the lower side of the fuel cell main body. For example, the separator 71d and the separator 71e are separators having the same thickness dimension. Similarly, the combination of the separator 71c and the separator 71f, the separator 71b and the separator 71g, and the separator 71a and the separator 71h is a separator having the same thickness dimension. It is a combination. In the power generation unit 70, the upper half composed of the separators 71a to 71d and the power generation body 72 and the lower half composed of the separators 71e to 71h and the power generation body 72 have the same configuration. The upper half of the unit 70 will be described in detail.
[0028]
A plurality of openings 76a, 76b, 76c, and 76d formed on the side surfaces of the separators 71a, 71b, 71c, and 71d face the side surface 75 of the power generation unit 70. Openings that are paired with the openings 76a, 76b, 76c, and 76d are also formed on the side surface of the power generation unit 70 that is opposite to the side surface 75. The openings 76a, 76b, 76c, and 76d are openings in which grooves formed in the separators 71a, 71b, 71c, and 71d open on the side surface 75 of the power generation unit 70, and are paired with the openings 76a, 76b, 76c, and 76d. The opening facing the opposite side surface of the power generation unit 70 is also the opening of the groove formed in the separators 71a, 71b, 71c, 71d. Such groove portions serve as a flow path for allowing air to flow inside the power generation portion 70, and the air supply fan disposed along the side surfaces 75 facing the openings 76 a, 76 b, 76 c, and 76 d in these groove portions. Air is flowed by 51, 52 and 53.
[0029]
As shown in FIG. 4, the electrode 72c disposed on the upper side of the solid polymer electrolyte membrane 72b is an air electrode to which air is supplied from the separators 71b and 71c. Further, the power generation cell constituting the power generation unit 70 is formed by two separators and a power generation body sandwiched between the separators. For example, as illustrated in FIG. 4, one power generation cell 90 a is formed by separators 71 d and 71 c and a power generation body 72. The separator 71c, 71b and the power generation body 72 constitute another power generation cell 90b. The power generation body 72 includes a sealing member 72a that seals between the separators 71d, 71c, 71b and the power generation body 72 when the power generation body and the separator are stacked. The power generation unit 70 is configured by connecting the power generation cells configured in this manner in series. Although only a part of the power generation unit 70 is shown in FIG. 4, other separators and power generation bodies that constitute the power generation unit 70 also constitute a power generation cell.
[0030]
The grooves 83d and 83c formed in the separators 71d and 71c serve as flow paths for supplying hydrogen gas, which is a fuel gas, from the separators 71d and 71c to the power generator 72, respectively. Further, the groove 83b formed on the upper surface of the separator 71b also supplies fuel to the power generator that is disposed so as to be in contact with the upper surface of the separator 71b. The grooves 83d, 83c, 83b are formed so as to meander in the surfaces of the separators 71d, 71c, 71b in order to increase the efficiency of the power generation reaction, and supply hydrogen gas to the entire fuel electrode of the power generator. The supply hole 82 is connected to a supply hole formed in another separator to form a supply path. From the hydrogen gas storage unit such as the hydrogen storage cartridge 60 provided outside the power generation unit 70, the grooves 83d, 83c, and 83b are provided. To supply hydrogen gas. Further, the discharge hole 81 is connected to a discharge hole formed in another separator to form a discharge path, and discharges hydrogen gas used for power generation to the outside of the apparatus.
[0031]
Next, the basic structure of the separators 71a to 71h constituting the power generation unit 70 will be described in detail with reference to FIG. As shown in FIG. 5A, a plurality of grooves 99 are formed along the longitudinal direction L of the separator 93 on the surface where the separator 93 is in contact with the power generation body, that is, the surface in contact with the air electrode of the power generation body. The groove 99 has openings 100 and 101 that extend substantially linearly along the width direction W of the separator 93 and open on both side surfaces of the separator 93. The separator 93 is disposed in the power generation unit 70 so as to be in contact with the air electrode of the power generation body on the surface where the groove 99 is formed, and air is flowed into the groove 99 through the openings 100 and 101, thereby generating the power generation body. Oxygen is supplied to substantially the entire surface of the air electrode to generate power. The openings 100 and 101 open to the side surface of the power generation unit 70 when the separator 93 and the power generation body are stacked, and air is supplied or sucked from the side surface side of the power generation unit 70 so that the air flows into the groove 99. Is done.
[0032]
Furthermore, as shown in FIG. 5A, the width dimension W of the groove 99 formed in one separator 93 is shown.₁Are substantially equal to each other, and the width dimension W of the openings 100 and 101 in which the groove 99 is opened on the side surface of the separator 93₂Are substantially equal to each other. The height dimension of the groove part 99, that is, the depth dimension along the depth direction with respect to the paper surface of the groove part 99 in the drawing is also substantially equal for each groove part 99 formed in one separator 93. Therefore, when the separator 93 is cut along a plane along the longitudinal direction L of the separator 93, the cross-sectional areas of the groove portions 99 formed in one separator 93 are substantially equal to each other. Similarly to the groove 99, the cross-sectional areas of the openings 100 and 101 having a substantially rectangular shape are substantially equal to each other in the single separator 93. As described above, in the single separator 93, the groove 99 and the openings 100 and 101 are basically formed so that their cross-sectional areas are substantially equal to each other. Accordingly, the groove 99 and the openings 100 and 101 are formed to have different cross-sectional areas for each separator. By changing the cross-sectional area of the groove 99 and the openings 100 and 101 for each separator according to the position where the separator 93 is stacked in the power generation unit 70, the flow rate of the air flowing through the groove differs when compared between the separators. Thus, the amount of heat released from each power generation cell to the outside is adjusted by the difference in the air flow rate.
[0033]
Further, like the separator 93, the width dimension W of the openings 100 and 101.₂Width dimension W of groove 99₁By making it larger than the above, it is possible to reduce the resistance that hinders the flow of air when air is taken into the groove 99 from the outside by forming the openings 100 and 101 with the groove 99 opening on the side surface in a tapered shape. . Furthermore, the height of the openings 100 and 101 can be formed larger than the height of the groove 99. Further, even when the openings 100 and 101 are wider than the groove 99, the openings 100 and 101 formed in one separator 93 are formed so that the width dimension and the height dimension are equal to each other. Further, as will be described later, a fuel supply hole 96a for supplying hydrogen gas to the groove 98 and a fuel discharge hole 97a for discharging hydrogen gas are formed at the end of the separator 93.
[0034]
As shown in FIG. 5 (b), a groove 98 for supplying fuel to the power generator is formed on the back surface side of the separator 93 in which the groove 99 is formed. The separator 93 is in contact with the power generating body different from the power generating body with which the groove portion 99 through which air flows is in contact with the surface on which the groove portion 98 is formed to constitute another power generating cell. The groove portion 98 is a groove portion for supplying a fuel gas such as hydrogen gas to the power generation body, and is in contact with the fuel electrode of the power generation body. In this example, the shape is meandered in the surface of the separator 93 so that the fuel can be supplied to substantially the entire surface of the fuel electrode of the power generator. A fuel supply hole 96b, which is the back side of the fuel supply hole 96a, faces one end of the groove 98, and serves as a fuel supply hole for supplying fuel to the groove 98. In addition, a fuel discharge hole 97b that is the back side of the fuel discharge hole 97a faces the other end, and the fuel after power generation and the product generated by the power generation are discharged from the groove 98. The fuel supply hole 96b and the fuel discharge hole 97b are connected to the fuel supply hole and the fuel discharge hole formed in the other separator when the power generation unit 70 is assembled to form a fuel supply path and a fuel discharge path. These fuel supply passages and fuel discharge passages supply and discharge the fuel collectively to the grooves for supplying the fuel formed in the separators, and cause each power generation cell to generate power.
[0035]
Next, the power generation unit 70 will be described in more detail with reference to FIG. The power generation unit 70 includes nine separators and eight power generation bodies 72 sandwiched between the separators, and eight power generation bodies are connected in series. The separators 71a to 71i constituting the power generation unit 70 have basically the same structure as the separator 93 described with reference to FIG. 5, but supply air containing oxygen as an oxidant to the power generation body. Thus, the cross-sectional area of the groove portion for discharging differs depending on the position where the separator is disposed. In addition, the openings 76a to 76h formed by opening the groove portion through which air flows on the side surface of the separator are also formed so as to have different cross-sectional areas depending on the position where the separator is disposed, similarly to the groove portion. The width dimension of the opening 76d formed in the separator 71d disposed substantially at the center of the power generation unit 70 in the stacking direction in which the separators 71a to 71h and the power generation body 72 are stacked, that is, in the height direction of the power generation unit 70 The width dimension W is substantially equal to the width dimension of the opening 76c formed in the separator 71c disposed on the upper side of the separator 71d via the power generator 72.₃It is said. Similarly, the width dimension of the openings 76a to 76h is also the width dimension W of the openings 76d and 76c.₃The width dimensions of the openings 76a to 76h are substantially equal to each other regardless of the position where the separator is disposed. Furthermore, the width dimension of the groove part formed in each separator so that it may connect with these opening parts is also mutually equal irrespective of the position where a separator is arrange | positioned.
[0036]
The height dimension of the opening portion of the separator disposed outside the power generation unit 70 is smaller than the height dimension of the opening portion of the separator disposed in the center of the power generation unit 70. Specifically, the height dimension h of the opening 76d formed in the separator 71d.₁The height dimension h of the opening 76c formed in the separator 71c disposed outside the separator 71d₂Is smaller and the height dimension h of the opening 76b formed in the separator 71b.₃Is the height dimension h of the opening 76c.₂Even smaller. In other words, the opening formed in the separator disposed outside the power generation unit 70 has a smaller cross-sectional area.
[0037]
Moreover, the groove part formed in the separators 71a to 71h for supplying and discharging air to the power generation body is also arranged outside the power generation part 70 in the same manner as the openings 76a to 76h formed in each separator. The separator is formed to have a smaller height dimension. As described above, the height of the opening and the groove formed in the separator disposed in the center of the power generation unit 70 with respect to the stacking direction is formed in the separator disposed outside the power generation unit 70. Each separator is formed with a groove and an opening so that the height of the opening and the groove is reduced.
[0038]
The openings 76a to 76h and the grooves connected to these openings and extending in the width direction of each separator, that is, in the depth direction with respect to the paper surface in FIG. 6, supply air containing oxygen as an oxidant to the power generator 72. The cross-sectional area of each groove and each opening differs depending on the difference in height of the openings 76a to 76h and the grooves connected to these openings as described above. The flow rate of the air that is taken in from the opening and flows into the groove varies depending on the position at which the separator is disposed. In the power generation unit 70 of this example, the separator 71c disposed outside the power generation unit 70 as compared to the flow rate of air flowing in the groove formed in the separator 71d disposed in the substantially central portion in the stacking direction. The flow rate of the air flowing in the groove formed in is small. Therefore, the heat radiation amount is increased in accordance with the flow rate of the air flowing toward the power generation cell disposed substantially in the center of the power generation unit 70.
[0039]
As described above, the openings 76a to 76d that allow the air to flow according to the position of the separator disposed in the power generation unit 70 and the cross-sectional areas of the grooves are different from each other for all the openings of the power generation unit 70. Even when air is supplied and discharged, power generation can be performed with a difference in the flow rate of air flowing in the groove formed in each separator and the amount of heat radiated from each separator being adjusted. it can. In particular, in the power generation unit 70 according to this example, the temperature rise of the power generation cell located near the center of the power generation unit 70 tends to be larger than that of other power generation cells. When such a temperature rise is larger than other power generation cells, air is supplied from the other power generation cells to the power generation cells that do not efficiently dissipate heat along the stacking direction in which the separator and the power generation body are stacked. The increase in temperature can be suppressed by increasing the amount and increasing the amount of heat released through the air.
[0040]
Furthermore, since the cross-sectional area of the groove and the opening is smaller in the separator disposed outside the power generation unit 70, the air supplied to the groove is reduced according to the cross-sectional area of the groove and the opening, and flows into each groove. The amount of heat released can be reduced according to the amount of air that is generated. That is, it is possible to increase the heat radiation amount as the separator has a larger temperature rise than other separators, and to maintain the temperature of each part of the power generation unit 70 substantially uniformly. Therefore, when generating power, the power generation reaction by each power generation cell is performed substantially uniformly, and it is possible to reduce the occurrence of problems in specific power generation cells due to temperature differences, and the fuel cell with improved reliability A fuel cell equipped with a main body can be provided.
[0041]
Further, as shown in FIG. 6, the width W of the opening for supplying and discharging air to the power generator 72 is shown.₃And the width dimension of the groove part connected to these is substantially equal to each other in the separators 71a to 71h constituting the power generation unit 70, so that the contact areas where the separators 71a to 71h substantially contact the power generation body are substantially equal in each power generation cell. Therefore, in the power generation unit 70 in which the power generation cells in which the power generation body 72 is sandwiched between the separators 71a to 71h are connected in series, there is almost no variation in electrical resistance at the contact portion between the power generation body 72 and the separators 71a to 71d. However, when the electric power is extracted from the power generation unit 70 by power generation, there is a variation in the amount of heat generated due to the current flowing in the power generation unit 70 along the stacking direction and the electrical resistance at the contact surfaces of the separators 71a to 71h and the power generation body 72. Can be reduced. That is, the entire power generation unit 70 is made uniform by reducing the variation in the amount of heat generated due to the electrical resistance at the contact surfaces of the separators 71a to 71h and the power generation body 72, which is one of the causes of the temperature variation of each power generation cell. It is possible to set the temperature at a low level.
[0042]
Furthermore, in the power generation unit 70 according to the present example, the thickness dimension t of the separator 71d disposed at the approximate center of the power generation unit 70.₁Is the thickness dimension t of the separator 71c disposed outside the separator.₂Is larger than the thickness dimension t of the separator 71c.₂Is the thickness dimension t of the separator 71b₃Bigger than That is, a separator with a thinner thickness can be used as the separator disposed on the outer side from the center of the power generation unit 70 in the stacking direction in which the separators are stacked. Thereby, the amount of heat transfer along the direction in which each separator extends is adjusted by each separator, and the temperature of the power generation unit 70 can be maintained uniformly. The thickness dimensions of the separators may be equal to each other, and even in this case, the temperature of the power generation unit 70 can be maintained uniformly.
[0043]
Further, the flow rate of air supplied to the separators 71a to 71h can be supplied while individually adjusting for each separator. FIG. 7 is a view showing a state in which a fan as an oxidant supply means is provided in the opening 100 of the separator shown in FIG. 5, and the separator 93 is cut along the direction in which the groove 99 extends. FIG. The fan 103 is supported on the bottom surface of the groove 99 by the support portion 108, faces the opening 100, and supplies air to the groove 99 individually. The fan 103 may be any fan as long as it has a size that is accommodated in the groove 99 and does not impede the flow of air, and has a mechanism that has an output capable of supplying sufficient air to the groove 99, for example, piezoelectric ceramics. Piezoelectric fins that drive the fins by oscillating can be used. Since the piezoelectric fin is small and has a sufficient output, it is an oxidant supply means suitable for the separator constituting the power generation unit 70 as in this example.
[0044]
Therefore, it is possible to adjust the supply amount of the oxidant by individually providing the oxidant supply means in the separators 71a to 71h. Thereby, compared with the case where an oxidant supply means is not provided in a separator, the flow rate of air can be adjusted individually, and power generation can be performed while maintaining the temperature of the entire fuel cell main body more uniformly. .
[0045]
Further, when the power generation unit 70 described with reference to FIGS. 3 to 6 is manufactured, the opening and the groove are formed so that the cross-sectional area becomes a predetermined size in accordance with the position where the power generation unit 70 is disposed. The fuel cell body may be assembled by stacking the formed separators. When stacking the separators, a power generation body is sandwiched between the separators to form a power generation cell, and these power generation cells are connected in series to form a set of fuel cell bodies.
[0046]
Furthermore, when assembling the power generation unit 70, the separators 71a to 71h are provided with openings and grooves according to the positions where the power generation unit 70 is disposed, and the air flow rate is adjusted according to the cross-sectional areas of these openings and grooves. By supplying it while maintaining the temperature of the power generation unit 70 to be uniform, stable power generation can be performed.
[0047]
【The invention's effect】
As described above, according to the fuel cell of the present invention, the flow rate of air flowing through the separator constituting the power generation cell can be adjusted by changing the cross-sectional areas of the groove and the opening formed in each separator. . These grooves and openings have different cross-sectional areas depending on the positions where the separators are disposed, and the cross-sectional areas of the grooves and the openings are smaller in the separators disposed in the center of the power generation unit that is less likely to dissipate heat when generating power. It is formed to be large. Therefore, the flow rate of the air flowing through the groove and the opening formed in the separator is adjusted according to the position where the separator is disposed. That is, by increasing the cross-sectional area of the groove and opening formed in the separator that is disposed at a position where heat is not easily radiated, the amount of heat release is higher than that of the other separator. And the temperature of the entire power generation unit can be made substantially uniform. In this way, by generating power while maintaining the temperature of the power generation unit uniformly, a specific power generation cell can be applied in a substantially uniform state to the entire power generation cell constituting the power generation unit without applying a larger load than other power generation cells. Power generation can be performed.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an exploded perspective view showing an example of a fuel cell according to the present invention.
FIG. 2 is a structural diagram showing the structure of a casing constituting the fuel cell, wherein (a) is a side view, (b) is a side view showing another side surface, (c) is an end view, and (d) ) Is an end view showing another end face.
FIG. 3 is a perspective view showing an example of a power generation unit.
FIG. 4 is an exploded perspective view showing a partial configuration of a power generation unit.
FIG. 5 is a plan view showing a basic structure of a separator constituting a power generation unit.
FIG. 6 is a side view of the power generation unit as viewed from the side.
FIG. 7 is a cross-sectional view showing a state where piezoelectric fins are arranged on a separator constituting the power generation unit.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Fuel cell, 20 Case, 21, 22, 23 Exhaust port, 24 Inlet port, 30 Control board, 51, 52, 53 Air supply fan, 54 Hydrogen purge valve, 55 Regulator, 56 Manual valve, 57 Base, 60 Hydrogen Occlusion cartridge, 70 power generation unit, 71a, 71b, 71c, 71d, 71e, 71f, 71g, 71h, 71i separator, 72b solid polymer electrolyte membrane, 72c electrode, 72 power generation unit, 76a, 76b, 76c, 76d, 76e, 76f, 76g, 76h opening, 83b, 83c, 83d groove, 90a, 90b power generation cell, 93 separator, 98 groove, 99 groove, 100, 101 opening, 103 piezoelectric fin, 108 support

Claims

A fuel cell in which another power generator is stacked on a power generator via a separator,
The separator has an oxidant supply path for supplying an oxidant to the power generation body, which is configured by an opening formed in a width wider than the groove and connected to the groove and the groove .
Before SL grooves and cross-sectional area of the opening, the power generating body and the center of the fuel cell that is formed smaller as fall outside the stacking direction of the separator.

2. The fuel cell according to claim 1, wherein the oxidant supply path is formed in a substantially straight line from one side surface to the other side surface of the separator and opens to the one side surface and the other side surface, respectively.

The width dimensions of the cross section of the groove and the opening of the oxidant supply path are substantially equal to each other in each separator constituting the fuel cell,
The height dimension of the cross section is the height dimension of the cross section of the groove and the opening of the oxidant supply path of the separator disposed outside the fuel cell with respect to the separator having the oxidant supply path. the fuel cell of large claim 1, wherein compared.

The fuel cell according to claim 1, wherein a thickness dimension of the separator is thicker than a thickness dimension of a separator located outside the fuel cell with respect to the separator.

A fuel cell in which another power generator is stacked on a power generator via a separator ,
The formed smaller cross-sectional area of the opening that is wider than the groove on the outside from the center of the stacking direction of the separator and the power generating body with leads in the groove portion and the groove constituting the oxidation agent supply path When both respectively oxidant supply means provided in each separator,
The oxidant supply means is a fuel cell that supplies an oxidant with a smaller flow rate as it goes outward from the center in the stacking direction of the power generator and the separator .