JP4934938B2 - Fuel cell separator - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は、燃料電池のセパレータに係り、詳しくは冷却水を流通させる流域を備えたセパレータに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
PEM型の燃料電池の単位セルは、燃料極と空気極(酸化剤極)との間に高分子固体電解質膜が挟持された構成である。燃料極及び空気極はともに触媒物質を含む触媒層と、前記触媒層を支持すると共に反応ガスを供給しさらに集電体としての機能を有する電極基材からなる。燃料極と空気極の更に外側には、反応ガスを外部より電極内に均一に供給するとともに、余剰ガスを外部に排出するためのガス流通溝を設けたセパレータ(コネクタ板)が積層される。このセパレータはガスの透過を防止するとともに発生した電流を外部へ取り出すための集電を行う。
【0003】
上記燃料電池本体とセパレータとで単電池が構成される。実際の燃料電池システムでは、かかる単電池の多数個が直列に積層されてスタックが構成される。燃料電池本体では、一般的に発生電力にほぼ相当する熱量の熱が発生する。従って、燃料電池本体が過度にヒートアップすることを防止するために、冷却手段が講じられる。
冷却手段としては、空気極に空気を送り込むための空気マニホールド内に、水を噴射するノズルを設け、空気極に送り込む空気とともに噴射された水が蒸発する際の潜熱を利用して冷却する構成や、スタック内に冷却板を内蔵させるなどの構成が挙げられる。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、噴射ノズルから水を噴射する構成のものでは、空気極の表面に供給された水が空気極自体から熱を奪いこれを冷却する構成であり、燃料電池本体で蒸発させる水の量を微妙にコントロールして冷却能力を変化させることが困難である。また、燃料電池スタックには、横断面積の小さい空気供給路が多数設けられており、各空気供給路へ均一に噴射された水を供給することは、極めて難しいものである。
【0005】
また、燃料電池空気極内部におてい、一時的に水過多の状態が発生し、空気の供給不足に陥り、電圧の安定性を損なう恐れがある。また、従来の水直噴方式では、水を間欠供給しているため、水供給開始時に一時的に燃料電池の状態(温度・空気流量等)が大きく変化し、電圧の安定性を損なう可能性がある。その為、運転温度を高く設定することができなかった。
さらに、冷却板を内蔵する構成では、部品点数が増加し、燃料電池スタック自体の大きさも大型化してしまう。
この発明の目的は、燃料電池の温度制御がより精密に可能となり、かつ燃料電池スタックの大きさを小型化することが可能な燃料電池のセパレータを提供することにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】
以上のような目的を達成する本発明は以下の構成を有する。
(1) 燃料電池の単位セル間を区画するとともに該単位セルを電気的に直列に接続する燃料電池の耐蝕導電処理を施した金属製板状セパレータであって、
前記セパレータの一端面に形成され、前記単位セルの酸化剤極と接触する凸部により形成された酸化剤ガス供給溝と、
前記セパレータの前記凸部内に、前記酸化剤ガス供給溝と平行に形成され、前記セパレータの側縁部の一端から他端へ冷却水を流通する冷却流路と、
前記酸化剤ガス供給溝の側壁面に形成され、前記酸化剤ガス供給溝と前記冷却流路とを貫通し、前記冷却流路の冷却水を前記酸化剤ガス供給溝に供給する貫通孔とを備えている燃料電池のセパレータ。
【0007】
【発明の実施の形態】
次にこの発明の好適実施形態について説明する。図1は、この発明の第1の参考実施形態における燃料電池のセパレータ6を用いた燃料電池の単位ユニットの構成を示す側面断面図、図2は、セパレータ6の断面平面図、図3のセパレータ6の全体正面図である。燃料電池の単位ユニットは、固体高分子電解質膜5と、該固体高分子電解質膜5の両側面にそれぞれ重ねられた酸化剤極である空気極3と燃料極4とを備えた単位セルと、単位セルの空気極3に重ねられたセパレータ6と、燃料極4に重ねられたセパレータ7とを備えている。つまり、固体高分子電解質膜5を空気極3と燃料極4とで挟持して単位セルを構成し、さらにセパレータ6、7でその単体を挟持した構成となっている。
【0008】
セパレータ6、7は、導電性を有し、かつ耐蝕性を備えた材料で構成され、例えば、導電性と耐食性を備えた金属、グラファイトなどが用いられる。導電性と耐食性を備えた金属としては、例えば、ステンレス、ニッケル合金、チタン合金等に耐蝕導電処理を施したもの等が挙げられる。
【0009】
セパレータ6には、空気極3と接触する側の面(一方の端面)に、略等間隔で複数の酸化剤ガス供給溝が平行に形成され、空気極3に重ねられた状態で空気供給路80が形成される構成となっている。空気供給路80は、セパレータ6の一方の長辺から他方の長辺へ向けて形成され、両端は各長辺部で開口している。空気供給路80の間には凸部により隔壁81が形成され、その上端部812は、空気極3に接触している。
【0010】
セパレータ6は、空気供給路80と隔壁81が設けられる板状の本体部60を備え、本体部60内には、酸化剤ガス供給溝である空気供給路80に沿って形成された冷却流路82が設けられている。冷却流路82には、燃料電池を冷却する冷却媒体として水が流通する。冷却流路82は、セパレータ6に形成された複数の空気供給路80に沿って、それぞれ形成されており、図4に示されているように、冷却流路82の一端は供給路84に、他端は排出路85にそれぞれ接続されている。供給路84は、燃料電池スタック2の外部に設けられている水供給系50の供給ライン52に接続され、排出路85は、返還ライン54に接続され、空気供給路80に供給されなかった水は、水タンク53へ返還され、燃料電池スタック2と水タンク53の間で冷却水が循環する構成となっている。このようにして、冷却水は、セパレータ6の側縁部の一端から他端へ流通する。
【0011】
空気供給路80と冷却流路82との間には、水を空気供給路80へ供給する供給手段である通路として貫通孔83が連通している。貫通孔83は、等間隔で複数設けられ、冷却流路82内を流れる冷却水が、貫通孔83を介して空気供給路80内へ流入する。
貫通孔83から空気供給路80へ供給された水は、蒸発する際の潜熱による冷却効果を発揮するとともに、空気極3の乾燥を防止し、常に湿潤状態を維持させることができる。
【0012】
ここで、冷却流路82内を流れる冷却水は、必ずしも冷却流路82内に隙間無く満たされている必要はなく、冷却流路82の内壁を伝って流れる程度の流量であってもよい。従って、例えば、貫通孔83が形成されている側面821を伝って流れる場合には、貫通孔83から水が空気供給路80へ流出するが、違う側面を伝って流れる場合には、水が空気供給路80へ流出しない場合もある。しかし、水が、冷却流路82の内壁を伝って流れれば、セパレータ6は冷却され、充分な冷却効果を得ることができる。
【0013】
燃料極4側のセパレータ7には、燃料ガスを流通させるガス供給路9が形成されている。ガス供給路9は、単位ユニットを構成した状態で、空気供給路80に対して直交する方向へ形成されている。セパレータ6に設けられている冷却媒体が流通する冷却流路82と同様の流路は、セパレータ7に設けることもできる。
【0014】
この実施形態では、燃料電池単位ユニットを使用状態にセットした状態で、空気供給路80が上下方向に沿って位置するように構成されている。このように構成することで、空気供給路80に供給された冷却水を下方に滴下させて、空気供給路80から容易に排出することができる。
【0015】
図5に示されているように、以上のように構成された燃料電池単位ユニットを複数積層して、即ち直列に接続して、燃料電池スタック2を構成する。上記セパレータ6の構成において、空気供給路80における空気の流通方向と逆方向に冷却水が流れる構成としてもよい。以上説明した燃料電池のセパレータ6の構成としては、以下に説明するような他の構成とすることもできる。第2の参考実施形態としては、排出路85を設けず、冷却流路82に供給された冷却水は、貫通孔83を介して全て空気供給路80へ流出させる構成としてもよい。この場合には、例えば、図6に示されているように、セパレータ6の平行な対向する端辺(上辺側と下辺側)に沿って、それぞれ供給路84a、84bを設け、各供給路84a、84bから一つおきに交互に冷却流路82a、82bを接続した構成とすることができる。この構成では、冷却流路82a内では、上方から下方へ向けて冷却水が流れ、冷却流路82b内では、下方から上方へ向けて冷却水が流れる。つまり、それぞれ逆方向に冷却水が流通する。
【0016】
冷却水は、熱交換をしながら流路内を流れるので、下流側へ向けて冷却水の温度が上昇し冷却効果が低下する。しかし、この実施形態のように、冷却水の流通方向を交互に逆向きとすることによって、セパレータ6をより均一に冷却することができる。
あるいは、排出路85を設けず、冷却流路82の下端は全てセパレータ6の下端辺に開口し、セパレータ6の下端辺から外部に冷却水を排出される構成としてもよい。この場合には、燃料電池スタック2の下側に設けられている集水トレーに排水は回収され、後述するタンク53へ返還される構成とすることができる。
【0017】
第3の参考実施形態としては、図7に示されているように、冷却流路82cを、空気供給路80に対して交差する方向に形成してもよい。
本発明の実施形態としては、図8に示されているように、隔壁81内に冷却流路82を形成することもできる。隔壁81は、空気極3に接触するので、隔壁81内に冷却流路82を形成すると、冷媒の位置が空気極3に接近し、冷却効果が向上する。また、この場合に、空気供給路80と連通する貫通孔83は、空気供給路80の側壁面811に形成されることとなる。側壁面811に貫通孔83を設けることによって、空気供給路80に供給された冷却水が空気極3に接触し易くなり、極を湿潤状態に維持する効果を確実に発揮させることができる。
【0018】
第4の参考実施形態としては、図9に示されているように、隔壁81内に冷却流路82を形成し、隔壁81の空気極3との上端部(接触面)812に貫通孔83を構成してもよい。この構成では、直接空気極3に貫通孔83から冷却水を供給し、空気極3の乾燥が防止できる。第5の参考実施形態としては、図10に示されているように、セパレータ6を、平断面が波形となるように形成された空気供給路構成部材62と、その背面側に重ねられた平板状の背面部材61とを備えた構成とすることもできる。背面部材61と空気供給路構成部材62との間の隙間には、平面状の冷却流路82dが構成され、隔壁81内には溝状の流路82eが形成される。このような構成とすることで、冷却水が充填される範囲が増大し、冷却効果が向上する。また、貫通孔83は、空気供給路80内の底面801と、空気供給路80の側壁面811のいずれにも形成することがでる。
【0019】
次に、以上のように構成された燃料電池スタック2を用いた燃料電池システムの構成について説明する。
図11に示されているように、この燃料電池システム1は燃料電池スタック2、水素吸蔵合金11を含む燃料供給系10、空気供給系40、水供給系50及び負荷系70から大略構成される。
燃料供給系10では、水素供給路20を介して水素吸蔵合金11から放出された水素を燃料スタック2の各単位ユニットの水素ガス流路9へ送る。水素供給路20には、水素調圧弁21が配設され、水素吸蔵合金11から放出された水素ガスを調圧している。符号23は水素供給電磁弁23であって、水素供給路20の開閉を制御している。燃料電池スタック2へ供給される直前の水素ガス圧は水素元圧センサ25でモニタされている。
【0020】
燃料供給系10において、燃料電池スタック2から排出される水素ガスは水素排気路30を介して大気へ放出される。水素排気路30には逆止弁31と電磁弁33が設けられている。逆止弁31は水素排気路30を介して空気が燃料電池スタック2の燃料極に進入することを防止する。電磁弁33は間欠的に駆動されて水素の完全燃焼を図る。
【0021】
空気供給系40は大気から空気を燃料電池スタック2の空気流路8に供給し、燃料電池スタック2から排出された空気を水凝縮器51を通過させて排気する。空気供給路41にはファン43が備えられ、大気から空気を空気マニホールド45へ送る。空気はマニホールド45から燃料電池スタック2の空気供給路8へ流入して空気極3へ酸素を供給する。燃料電池スタック2から排出された空気は水凝縮器51で水分が凝縮・回収されて大気へ放出される。燃料電池スタック2から排出される温度は排気温度センサ47によりモニタされている。
【0022】
冷却水の冷却流路82から空気供給路80へ送られた冷却水の大部分は液体の状態を維持したまま水凝縮器51に到達し、そのままタンク53へ送られて回収される。供給された水の一部は蒸発し、水凝縮器51において凝縮されて回収される。なお、排出空気に含まれる水蒸気には燃料電池スタック2の発電反応に伴う反応水に起因するものもあると考えられる。
【0023】
水供給系50はタンク53の水を、ポンプ64により、各燃料電池単位ユニットの冷却水供給路84へ配管52を介して圧送し、供給された冷却水の一部を、各燃料電池単位ユニットの排出路85から配管54を介してタンク53に回収する。各燃料電池単位ユニット内で、貫通孔83から空気供給路80へ供給された水は、水凝縮器51で回収され、タンク53に戻される。勿論、水供給系50を完全に閉じることは不可能であるので、タンク53の水位を水位センサ56でモニタしてこの水位が所定の閾値を超えたら外部より水を補給する。冬季にタンク53中の水が凍結しないようにタンク53にはヒータ57と凍結防止電磁バルブ58が取り付けられている。水凝縮器51とタンク53を連結する配管には電磁バルブ65が取り付けられてタンク53内の水が蒸発するのを防止している。
【0024】
排気温度センサ47で検出された排出空気の温度に対応してポンプ64の出力を制御し、循環する冷却水の量を調整し燃料電池スタック2の温度を所望の温度に維持することができる。
負荷系70は燃料電池スタック2の出力を外部に取り出して、モータ77等の負荷を駆動させる。この負荷系70にはスイッチのためのリレー71と補助出力源となる2次電池75が設けられ、2次電池75とリレー71との間に整流用のダイオード73が介在されている。なお、燃料電池スタック2自体の出力は電圧センサ75で常にモニタされている。このモニタ結果に基づき、図示しない制御回路で水素排気電磁弁33の開閉が制御される。
【0025】
【発明の効果】
請求項1に記載の発明によれば、セパレータ内に冷却水が流通する冷却流路が設けられているので、燃料電池の構造を大型化することなく、冷却効率を上げることができる。また、セパレータの各部をより均一に冷却することができ、温度制御がより精密にできる。
ガス供給路に平行に冷却流路を形成することにより、反応熱の発生する電極に沿って冷却水を流通させることとなり、冷却効率がより向上する。
【0026】
凸部である隔壁内に冷却水の流路を形成することにより、電極により近接した位置に冷却水が流通することとなり、冷却効率が向上する。
貫通孔が酸化剤ガス供給溝の側壁面に形成されているので、電極に対して一層確実に水を接触させることができ、電極の湿潤状態を維持し易くなる。
【図面の簡単な説明】
【図1】燃料電池を構成する燃料電池単位ユニットの側面断面図である。
【図2】参考実施形態の燃料電池のセパレータの部分断面平面図である。
【図3】参考実施形態の燃料電池のセパレータの全体正面図である。
【図4】参考実施形態の燃料電池のセパレータの部分拡大正面図である。
【図5】燃料電池スタックの部分拡大斜視図である。
【図6】参考実施形態における燃料電池のセパレータの全体正面図である。
【図7】参考実施形態における燃料電池のセパレータの部分断面平面図である。
【図8】本発明の実施形態における燃料電池のセパレータの部分断面平面図である。
【図9】参考実施形態における燃料電池のセパレータの部分断面平面図である。
【図10】参考実施形態における燃料電池のセパレータの部分断面平面図である。
【図11】燃料電池システムの構成を示す模式図である。
【符号の説明】
1 燃料電池システム
2 燃料電池スタック
3 空気極
4 燃料極
5 固体高分子電解質膜
6 セパレータ
7 セパレータ
80 空気供給路(酸化剤ガス供給溝)
81 隔壁(凸部)
82 冷却流路
83 貫通孔
10 燃料供給系
40 空気供給系
50 水供給系
70 負荷系[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a separator for a fuel cell, and more particularly to a separator provided with a flow area for circulating cooling water.
[0002]
[Prior art]
A unit cell of a PEM type fuel cell has a configuration in which a polymer solid electrolyte membrane is sandwiched between a fuel electrode and an air electrode (oxidant electrode). Both the fuel electrode and the air electrode are composed of a catalyst layer containing a catalyst material, and an electrode base material that supports the catalyst layer, supplies a reaction gas, and further functions as a current collector. On the further outside of the fuel electrode and the air electrode, a separator (connector plate) provided with a gas flow groove for uniformly supplying the reaction gas from the outside into the electrode and discharging excess gas to the outside is laminated. This separator collects current to prevent gas permeation and to take out the generated current to the outside.
[0003]
A unit cell is constituted by the fuel cell main body and the separator. In an actual fuel cell system, a stack is formed by stacking a large number of such single cells in series. In the fuel cell main body, heat having a heat amount substantially corresponding to the generated power is generally generated. Therefore, cooling means are provided to prevent the fuel cell body from excessively heating up.
As a cooling means, a nozzle for injecting water is provided in an air manifold for sending air to the air electrode, and cooling is performed using latent heat when water injected with the air sent to the air electrode evaporates. A configuration in which a cooling plate is built in the stack can be mentioned.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the configuration in which water is injected from the injection nozzle, the water supplied to the surface of the air electrode takes heat from the air electrode itself and cools it. It is difficult to change the cooling capacity by controlling it. In addition, the fuel cell stack is provided with a large number of air supply paths having a small cross-sectional area, and it is extremely difficult to supply water that is uniformly injected into each air supply path.
[0005]
In addition, in the fuel cell air electrode, a temporary excessive water condition may occur, resulting in a shortage of air supply, which may impair voltage stability. In addition, in the conventional direct water injection method, water is intermittently supplied, so the state of the fuel cell (temperature, air flow rate, etc.) may change significantly temporarily at the start of water supply, which may impair voltage stability. There is. Therefore, the operating temperature could not be set high.
Furthermore, in the configuration incorporating the cooling plate, the number of parts increases, and the size of the fuel cell stack itself increases.
An object of the present invention is to provide a fuel cell separator that enables temperature control of the fuel cell more precisely and that can reduce the size of the fuel cell stack.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
The present invention that achieves the above object has the following configuration.
(1) A metal plate-like separator subjected to corrosion-resistant conductive treatment of a fuel cell that partitions unit cells of a fuel cell and electrically connects the unit cells in series,
An oxidant gas supply groove formed on one end surface of the separator, and formed by a convex portion in contact with the oxidant electrode of the unit cell;
A cooling channel that is formed in the convex portion of the separator in parallel with the oxidant gas supply groove and that circulates cooling water from one end to the other end of the side edge of the separator;
A through hole formed in a side wall surface of the oxidant gas supply groove, passing through the oxidant gas supply groove and the cooling channel, and supplying cooling water of the cooling channel to the oxidant gas supply groove; Equipped with a fuel cell separator.
[0007]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Next, a preferred embodiment of the present invention will be described. FIG. 1 is a side sectional view showing the configuration of a unit unit of a fuel cell using the
[0008]
The
[0009]
In the
[0010]
The
[0011]
A through-
The water supplied from the through-
[0012]
Here, the cooling water flowing in the
[0013]
The
[0014]
In this embodiment, the
[0015]
As shown in FIG. 5, the
[0016]
Since the cooling water flows in the flow path while exchanging heat, the temperature of the cooling water rises toward the downstream side, and the cooling effect decreases. However, as in this embodiment, the
Alternatively, the
[0017]
As a third reference embodiment, as shown in FIG. 7, the
As an embodiment of the present invention , as shown in FIG. 8, a cooling
[0018]
As a fourth reference embodiment, as shown in FIG. 9, a cooling
[0019]
Next, the configuration of the fuel cell system using the
As shown in FIG. 11, the
In the
[0020]
In the
[0021]
The
[0022]
Most of the cooling water sent from the cooling
[0023]
The
[0024]
The output of the
The
[0025]
【Effect of the invention】
According to the first aspect of the present invention, since the cooling flow path through which the cooling water flows is provided in the separator, the cooling efficiency can be increased without increasing the size of the fuel cell structure. Moreover, each part of a separator can be cooled more uniformly and temperature control can be made more precise.
By forming the cooling channel in parallel with the gas supply channel, the cooling water is circulated along the electrode where reaction heat is generated, and the cooling efficiency is further improved.
[0026]
By forming the flow path of the cooling water in the partition which is the convex part, the cooling water flows in a position closer to the electrode, and the cooling efficiency is improved.
Since the through hole is formed in the side wall surface of the oxidant gas supply groove, water can be more reliably brought into contact with the electrode, and the wet state of the electrode can be easily maintained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a side sectional view of a fuel cell unit unit constituting a fuel cell.
FIG. 2 is a partial sectional plan view of a separator of a fuel cell according to a reference embodiment .
FIG. 3 is an overall front view of a separator of a fuel cell according to a reference embodiment .
FIG. 4 is a partially enlarged front view of a separator of a fuel cell according to a reference embodiment .
FIG. 5 is a partially enlarged perspective view of a fuel cell stack.
FIG. 6 is an overall front view of a separator of a fuel cell in a reference embodiment.
FIG. 7 is a partial cross-sectional plan view of a separator of a fuel cell in a reference embodiment.
FIG. 8 is a partial cross-sectional plan view of a separator of a fuel cell in an embodiment of the present invention .
FIG. 9 is a partial cross-sectional plan view of a separator of a fuel cell in a reference embodiment.
FIG. 10 is a partial cross-sectional plan view of a fuel cell separator according to a reference embodiment.
FIG. 11 is a schematic diagram showing a configuration of a fuel cell system.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
81 Bulkhead (convex)
82
Claims (1)
前記セパレータの一端面に形成され、前記単位セルの酸化剤極と接触する凸部により形成された酸化剤ガス供給溝と、
前記セパレータの前記凸部内に、前記酸化剤ガス供給溝と平行に形成され、前記セパレータの側縁部の一端から他端へ冷却水を流通する冷却流路と、
前記酸化剤ガス供給溝の側壁面に形成され、前記酸化剤ガス供給溝と前記冷却流路とを貫通し、前記冷却流路の冷却水を前記酸化剤ガス供給溝に供給する貫通孔とを備えている燃料電池のセパレータ。A metal plate-like separator subjected to a corrosion-resistant conductive treatment of a fuel cell that partitions unit cells of a fuel cell and electrically connects the unit cells in series,
An oxidant gas supply groove formed on one end surface of the separator, and formed by a convex portion in contact with the oxidant electrode of the unit cell;
A cooling channel that is formed in the convex portion of the separator in parallel with the oxidant gas supply groove and that circulates cooling water from one end to the other end of the side edge of the separator;
A through hole formed in a side wall surface of the oxidant gas supply groove, passing through the oxidant gas supply groove and the cooling channel, and supplying cooling water of the cooling channel to the oxidant gas supply groove; Equipped with a fuel cell separator.
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