JP5068896B2 - Polymer electrolyte fuel cell - Google Patents
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Description
本発明は、複数の単電池から熱を回収する冷媒が流れるマニホールドを単電池と別体に備えた高分子電解質型燃料電池に関する。 The present invention relates to a polymer electrolyte fuel cell including a manifold separately from a single cell through which a refrigerant for recovering heat from a plurality of single cells flows.
従来より、高分子電解質型燃料電池(以下、「燃料電池」と称する)は、水素を含有する燃料ガスと、空気など酸素を含有する酸化剤ガスとを、電気化学的に反応させることで、電力と熱とを同時に発生させるものである。なお、燃料ガスと酸化剤ガスは、反応ガスと呼ばれることもある。 Conventionally, a polymer electrolyte fuel cell (hereinafter referred to as a “fuel cell”) has an electrochemical reaction between a fuel gas containing hydrogen and an oxidant gas containing oxygen such as air, Electric power and heat are generated simultaneously. Note that the fuel gas and the oxidant gas are sometimes referred to as reaction gases.
また、燃料電池は、単電池(セル)を複数積層して構成される。その単電池は、水素イオンを選択的に輸送する陽イオン交換樹脂からなる高分子電解質膜と、白金系の金属触媒を担持したカーボン粉末を主成分とし、且つ高分子電解質膜の両面に形成された触媒反応層と、反応ガスを通気するとともに電子導電性を備える例えばカーボンペーパーやカーボンクロスなどからなり、且つ触媒反応層上に形成された拡散層とを備える。この触媒反応層と拡散層とが電極を構成する。なお、燃料ガスが供給される電極はアノード(燃料極)と呼ばれ、酸化剤ガスが供給される電極はカソード(酸素極)と呼ばれている。また、高分子電解質膜と電極とからなる構成体は、MEA(電極電解質膜接合体)と呼ばれている。 The fuel cell is configured by stacking a plurality of single cells (cells). The unit cell is mainly composed of a polymer electrolyte membrane made of a cation exchange resin that selectively transports hydrogen ions and a carbon powder carrying a platinum-based metal catalyst, and is formed on both sides of the polymer electrolyte membrane. And a diffusion layer made of, for example, carbon paper, carbon cloth, etc., which allows the reaction gas to flow and has electronic conductivity, and is formed on the catalyst reaction layer. The catalytic reaction layer and the diffusion layer constitute an electrode. The electrode supplied with the fuel gas is called an anode (fuel electrode), and the electrode supplied with the oxidant gas is called a cathode (oxygen electrode). Moreover, the structure which consists of a polymer electrolyte membrane and an electrode is called MEA (electrode electrolyte membrane assembly).
さらに、単電池は、カーボン材料や金属材料から作製された導電性のセパレータを有する。セパレータには、電極に反応ガスを供給する反応ガス用流路が形成されている。セパレータはまた、単電池から発生した熱を回収する冷媒が流れる冷媒用流路が形成されている。このような流路は、セパレータの表面に形成された溝で構成されるのが一般的である。 Furthermore, the unit cell has a conductive separator made of a carbon material or a metal material. The separator is formed with a reaction gas channel for supplying a reaction gas to the electrode. The separator is also formed with a refrigerant flow path through which a refrigerant that recovers heat generated from the unit cell flows. Such a flow path is generally constituted by a groove formed on the surface of the separator.
燃料電池の各単電池の反応ガス用流路や冷媒用流路に対して反応ガスや冷媒を供給するために、流路と流体接続するマニホールドが設けられる。 In order to supply the reaction gas and the refrigerant to the reaction gas channel and the refrigerant channel of each unit cell of the fuel cell, a manifold that is fluidly connected to the channel is provided.
例えば、特許文献1に記載の燃料電池の場合、図11に示すように、単電池の積層体(スタック)100の側面(積層方向と平行な面)にマニホールド102が、取り付けられる。スタック100の側面には、各単電池の反応ガス流路や冷媒用流路に連絡する複数の開口104が設けられ、マニホールド102は反応ガスや冷媒を対応する開口104を介して対応する流路に供給する。また、図示してはいないが、各単電池の流路とマニホールド102との間を流体密に流体接続するためのシール部材、すなわち反応ガスや冷媒の外部への漏出を防ぐ、また反応ガスと冷媒との混合を防ぐためのシール部材が配置されている。このように、単電池(スタック100)と別体に設けられるマニホールド102は外部マニホールドと呼ばれる。
For example, in the case of the fuel cell described in Patent Document 1, as shown in FIG. 11, a
このような外部マニホールドと異なり、内部マニホールドと呼ばれるものがある。内部マニホールドは、例えば特許文献2および3に記載の燃料電池のように、単電池のスタック内に形成される。例えば、各単電池には冷媒流路と連絡する貫通穴が形成されており、各単電池の貫通穴同士は、単電池が積層されると、流体密に流体接続する。これにより、複数の単電池を貫通する冷媒の流路、すなわち冷媒ガス用の内部マニホールドが形成される。反応ガス用の内部マニホールドも同様にして形成される。 Unlike such an external manifold, there is what is called an internal manifold. The internal manifold is formed in a stack of unit cells like the fuel cells described in Patent Documents 2 and 3, for example. For example, each unit cell is formed with a through hole communicating with the refrigerant flow path, and the through holes of each unit cell are fluid-tightly connected when the unit cells are stacked. Thereby, the flow path of the refrigerant | coolant which penetrates several cell, ie, the internal manifold for refrigerant gas, is formed. The internal manifold for the reaction gas is formed in the same manner.
例えば、図12に示すように、1つのセパレータ200に、冷媒用の貫通穴202、酸化剤ガス用の貫通穴204、および燃料ガス用の貫通穴206が設けられる。セパレータ200には、冷媒が流れる流路(溝)208が形成されており、流路208は冷媒用の貫通穴202と連絡している。なお、冷媒が外部に漏れないように、また酸化剤ガス用貫通穴204や燃料ガス用貫通穴206からの酸化剤ガスや燃料ガスが流入しないように、冷媒用貫通穴202と流路208とを囲むシール部材210が設けられている。なお、酸化剤ガスや燃料ガスについても同様にシール部材が設けられている。
For example, as shown in FIG. 12, one
しかしながら、特許文献1に記載の燃料電池の場合、外部マニホールド102を単電池の積層体(スタック100)の側面にシール部材を介して取り付ける構造であるため、スタック100の側面の凹凸によってシール部材とスタック100との間から反応ガスや冷媒が漏れ出る可能性がある。具体的には、スタック100は寸法誤差を含むセパレータなどの板形状部材を複数積層した構造であるため、スタック100の側面は、シール部材との密着性が高い平面になりにくい。それに加えて、複数のセパレータなどの板形状部材が異なる熱膨張をするため、一部のセパレータとシール部材との間に隙間が生じることがある。したがって、単電池の流路と外部マニホールド102との間の流体密な流体接続に対する信頼性が低い。
However, in the case of the fuel cell described in Patent Document 1, since the
また、上述のような外部マニホールド102の場合、複数の単電池の中から特定の単電池(例えば不良の単電池)を交換する場合、外部マニホールド102とシール部材とをスタック100から外す必要がある。すなわち、特定の単電池を交換する度に、全ての単電池の流路と外部マニホールド102との間の流体接続を解除する必要がある。また、実質的には、各単電池の流路と外部マニホールドとの間の流体密な流体接続を同時に行う構造であるため、1つの単電池の流路と外部マニホールドとの間で接続不良が生じると、全てが不良とされる。その結果、単電池の交換などの燃料電池のメンテナンス時間が長期化したり、燃料電池の製造時間が長くなる。
In the case of the
したがって、各単電池の流路と外部マニホールドとを流体密に(シール部材を介して)流体接続する場合、各単電池と外部マニホールドとの間を良好に流体密に流体接続するのに時間がかかるという問題が存在する。 Therefore, when the flow path of each unit cell and the external manifold are fluid-tightly connected (via a seal member), it takes time to make a good fluid-tight fluid connection between each unit cell and the external manifold. There is such a problem.
一方、特許文献2および3に記載する燃料電池の内部マニホールドの場合、特定の単電池を交換する場合、他の単電池の流路とマニホールドとの間の流体接続は解除されることがない。しかしながら、冷媒用の内部マニホールドが設けられる場合、内部マニホールド内の冷媒によって単電池のセパレータが電流腐食される可能性がある。具体的には、1つ以上の単電池を介在して離れた2つの単電池の間で、内部マニホールド内の冷媒を介して短絡が生じ、高電位側の単電池のセパレータが電流腐食される。 On the other hand, in the case of the internal manifold of the fuel cell described in Patent Documents 2 and 3, when a specific unit cell is replaced, the fluid connection between the flow path of the other unit cell and the manifold is not released. However, when an internal manifold for refrigerant is provided, the separator of the unit cell may be corroded by the refrigerant in the internal manifold. Specifically, a short circuit occurs between two unit cells separated by one or more unit cells via the refrigerant in the internal manifold, and the separator of the unit cell on the high potential side is corroded by current. .
セパレータの電流腐食が進行すると、セパレータに穴が開き、その穴を介して燃料ガスと酸化剤ガスが混合する可能性がある。その結果、電気化学反応が阻害されてイオン伝導性が低下し、電池の出力が低下する。この対処として、イオン交換器によって冷媒の電気伝導率を低く維持することやセパレータに絶縁体のコーティングを施すことが考えられるが、当然ながら燃料電池の製造コストや維持コストが高くなる。 When the current corrosion of the separator progresses, a hole opens in the separator, and the fuel gas and the oxidant gas may be mixed through the hole. As a result, the electrochemical reaction is inhibited, the ionic conductivity is lowered, and the output of the battery is lowered. As countermeasures for this, it is conceivable to keep the electrical conductivity of the refrigerant low by using an ion exchanger or to coat the separator with an insulator, but naturally the manufacturing cost and the maintenance cost of the fuel cell increase.
また、シール部材と接触するセパレータの部分に電流腐食が進行すると、セパレータとシール部材との間のシール性が低下し、シール性が低下した部分から冷媒が外部に漏れ出る可能性がある。その結果、冷媒による冷却が不足して電池の温度が上昇し、電池の出力が低下する。この対処として、セパレータに設けられた冷媒用の貫通穴とシール部材との距離を拡大することが考えられるが、その場合、セパレータが大型化する、すなわち燃料電池が大型化する。 Further, when current corrosion progresses in the portion of the separator that comes into contact with the seal member, the sealing performance between the separator and the sealing member is lowered, and the refrigerant may leak out from the portion where the sealing performance is lowered. As a result, cooling by the refrigerant is insufficient, the battery temperature rises, and the battery output decreases. As a countermeasure, it is conceivable to increase the distance between the through hole for coolant provided in the separator and the seal member. In this case, however, the separator is enlarged, that is, the fuel cell is enlarged.
特に、セパレータが金属材料から作製されている場合、セパレータから冷媒内に金属イオンが溶出するため、冷媒の電気伝導率が上昇し、それによりセパレータが加速的に電流腐食する。 In particular, when the separator is made of a metal material, metal ions are eluted from the separator into the refrigerant, so that the electric conductivity of the refrigerant is increased, thereby accelerating current corrosion of the separator.
したがって、冷媒用の内部マニホールドが設けられる場合、燃料電池の寿命が短くなる可能性がある。 Therefore, when an internal manifold for refrigerant is provided, the life of the fuel cell may be shortened.
そこで、本発明は、上述の問題を鑑みて、単電池それぞれの冷媒用流路と冷媒用マニホールドとを短時間で良好に流体密に流体接続でき、また冷媒用マニホールド内の冷媒による寿命の低下を抑制することができる構造の高分子電解質型燃料電池を提供することを課題とする。 Therefore, in view of the above-mentioned problems, the present invention can connect the refrigerant flow path and the refrigerant manifold of each unit cell in a short time with good fluid tightness, and also reduce the life due to the refrigerant in the refrigerant manifold. It is an object of the present invention to provide a polymer electrolyte fuel cell having a structure capable of suppressing the above.
上記目的を達成するために、本発明は以下のように構成する。 In order to achieve the above object, the present invention is configured as follows.
本発明の態様によれば、イオン導電性の高分子電解質膜と、高分子電解質膜の一方側に配置されるアノードと、高分子電解質膜の他方側に配置されるカソードと、冷媒用流路が形成された導電性のセパレータとを備える単電池を複数積層した高分子電解質型燃料電池であって、単電池それぞれに着脱可能に設けられた複数の冷媒用マニホールドを有し、各単電池の冷媒用マニホールドは、他の単電池の冷媒用マニホールドに連結可能であって、且つ一方側に連結する冷媒用マニホールドと他方側に連結する冷媒用マニホールドとを流体接続する、単電池の積層方向に延びる主流路と、主流路とセパレータの冷媒用流路とを流体接続する副流路とを備える、高分子電解質型燃料電池が提供される。 According to an aspect of the present invention, an ion conductive polymer electrolyte membrane, an anode disposed on one side of the polymer electrolyte membrane, a cathode disposed on the other side of the polymer electrolyte membrane, and a refrigerant flow path A polymer electrolyte fuel cell in which a plurality of unit cells each having a conductive separator formed thereon are stacked, each having a plurality of refrigerant manifolds detachably provided on each unit cell, The refrigerant manifold can be connected to the refrigerant manifold of another unit cell, and fluidly connects the refrigerant manifold connected to one side and the refrigerant manifold connected to the other side in the stacking direction of the unit cells. There is provided a polymer electrolyte fuel cell comprising an extended main channel and a sub-channel that fluidly connects the main channel and the refrigerant channel of the separator.
本発明によれば、複数の冷媒用マニホールドが単電池それぞれに着脱可能に設けられ、また各単電池に設けられた冷媒用マニホールド同士が連結可能であるため、1つの単電池が不良であっても、他の単電池の冷媒用流路と対応する冷媒用マニホールドとの間の流体接続を解除する必要がない。したがって、単電池それぞれの冷媒用流路と対応する冷媒用マニホールドとを短時間で良好に流体密に流体接続することができる。また、マニホールドが単電池に対して着脱可能であること(すなわち別体であること)により、セパレータを貫通する内部マニホールドとして単電池内に冷媒用マニホールドが設けられる場合に比べて、冷媒用マニホールド内の冷媒によるセパレータの電流腐食を抑制することができ、高分子電解質型燃料電池が長寿命化する。 According to the present invention, since a plurality of refrigerant manifolds are detachably provided in each unit cell, and the refrigerant manifolds provided in each unit cell are connectable, one unit cell is defective. However, it is not necessary to release the fluid connection between the refrigerant flow path of the other unit cell and the corresponding refrigerant manifold. Therefore, the refrigerant flow path of each unit cell and the corresponding refrigerant manifold can be fluid-tightly connected in a short time. In addition, since the manifold can be attached to and detached from the unit cell (that is, a separate body), the refrigerant manifold has an inner manifold penetrating the separator as compared with the case where the refrigerant manifold is provided in the unit cell. The current corrosion of the separator due to the refrigerant can be suppressed, and the life of the polymer electrolyte fuel cell is extended.
本発明のこれらの態様と特徴は、添付された図面についての好ましい実施の形態に関連した次の記述から明らかになる。この図面においては、
以下、本発明の一実施形態に係る高分子電解質型燃料電池(以下、「燃料電池」と称する)について、図面を参照しながら説明する。 Hereinafter, a polymer electrolyte fuel cell (hereinafter referred to as “fuel cell”) according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は、本発明の一実施形態に係る高分子電解質型燃料電池を構成する単電池(セル)の上面図である。図2は、図1のA−A線に沿った単電池の断面図である。 FIG. 1 is a top view of a unit cell (cell) constituting a polymer electrolyte fuel cell according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a cross-sectional view of the unit cell taken along the line AA in FIG.
本発明の一実施形態に係る燃料電池は、図1や図2に示す単電池10を複数積層してなる、単電池の積層体を有する。
A fuel cell according to an embodiment of the present invention includes a unit cell stack formed by stacking a plurality of
燃料電池は、簡単に説明すると、10〜200個の単電池の積層体(スタック)の積層方向の外側に、導電性の金属材料から作製された集電板を有し、さらに集電板それぞれの外側に絶縁性の絶縁板を有し、さらに絶縁板それぞれの外側に機械的強度に優れた金属材料から作製された端板を有する。端板によって単電池のスタック、集電板、および絶縁板を挟んだ状態で、これらを締結ボルトで積層方向に締結することにより、燃料電池が構成される。なお、後述する高分子電解質膜とセパレータとの接触抵抗を低減するために、また高分子電解質膜やセパレータとシール部材との間を良好にシールするために、締結ボルトによる積層方向の締結力は、一般的には10〜20kgf/cm2にされる。なお、場合によっては、スプリングを使用して必要な締結力を得ることもある。Briefly, the fuel cell has a current collector plate made of a conductive metal material on the outer side in the stacking direction of a stack of 10 to 200 single cells, and each of the current collector plates And an end plate made of a metal material having excellent mechanical strength on the outside of each of the insulating plates. A fuel cell is formed by fastening a stack of unit cells, a current collector plate, and an insulating plate in the stacking direction with fastening bolts while sandwiching the stack of unit cells by the end plates. In order to reduce the contact resistance between the polymer electrolyte membrane and the separator, which will be described later, and to provide a good seal between the polymer electrolyte membrane and the separator and the seal member, the fastening force in the stacking direction by the fastening bolt is Generally, it is set to 10 to 20 kgf / cm 2 . In some cases, a necessary fastening force may be obtained using a spring.
単電池10は、図2に示すように、高分子電解質膜12、電極(アノード)14、および電極(カソード)16からなるMEA(電極電解質膜接合体)を支持する枠形状のMEA支持体18と、導電性の2つのセパレータ20,22とを積層して構成されている。
As shown in FIG. 2, the
単電池10の高分子電解質膜12は、水素イオンを選択的に輸送する陽イオン交換樹脂から作製されている。
The
アノード14およびカソード16それぞれは、白金系の金属触媒を担持したカーボン粉末を主成分とし、且つ高分子電解質膜12の両面に形成された触媒反応層と、反応ガスを通気するとともに電子導電性を備える例えばカーボンペーパーやカーボンクロスなどからなり、且つ触媒反応層上に形成された拡散層とから構成されている。なお、アノード14は燃料ガスが供給される側であり、カソードは酸化剤ガスが供給される側である。
Each of the
セパレータ20は、反応ガスに対して高いガス気密性を備え、また導電性に優れ、さらに酸化還元反応に対する耐酸性を備える材料、例えばカーボンや金属材料から作製されている。セパレータ20はまた、カソード16に酸化剤ガスを供給するために、カソード16と対向する表面に、酸化剤ガスが流れる酸化剤ガス流路24を備える。なお、酸化剤ガス流路24は、切削加工によってまたはプレス加工によって作製される。
The
酸化剤ガス流路24に対して酸化剤ガスを供給するマニホールドと、酸化剤ガス流路24から酸化剤ガスを回収するマニホールドは、単電池10の積層体内に構成されている。なお、本明細書で言う「マニホールド」は、1つの流れを複数の流れに分流させるための、または複数の流れを1つの流れに合流させるための流路を構成するものを言う。
A manifold that supplies the oxidant gas to the oxidant
具体的には、酸化剤ガス流路24に対して酸化剤ガスを供給するマニホールドは、図1に示すようにMEA支持体18に形成された貫通穴26aと、セパレータ20の上面図である図3に示すように該セパレータ20に形成された貫通穴28aと、セパレータ22の上面図である図4に示すように該セパレータ22に形成された貫通穴30aとが流体密に流体接続することにより(すなわち単電池10の積層方向に重なることにより)構成される。
Specifically, the manifold for supplying the oxidant gas to the oxidant
また、酸化剤ガス流路24から酸化剤ガス(反応に使用されずに残った酸化剤ガス)を回収するマニホールドは、MEA支持体18に形成された貫通穴26bと、セパレータ20に形成された貫通穴28bと、セパレータ22に形成された貫通穴30bとが流体密に流体接続することにより(すなわち単電池10の積層方向に重なることにより)構成される。
In addition, a manifold that collects oxidant gas (oxidant gas remaining without being used in the reaction) from the oxidant
セパレータ20の酸化剤ガス流路24は、図3に示すように、反応ガス供給用マニホールドの一部を構成する貫通穴28aから反応ガス回収用マニホールドの一部を構成する貫通穴28bへと蛇行しながら延びている。
As shown in FIG. 3, the oxidant
なお、MEA支持体18には、酸化剤ガス供給用マニホールドから外部への酸化剤ガスの漏出を防止するまたは酸化剤ガス供給用マニホールドへの燃料ガスや冷媒の流入を防ぐリング状のシール32aが、貫通穴26aを囲むように設けられている。シール32aは、MEA支持体18とセパレータ22との間に挟まれることにより、MEA支持体18とセパレータ22との間をシールする。なお、シール32aは、シール層としてMEA支持体18の表面に一体的に形成されてもよいし、MEA支持体18に形成された溝に圧入されてもよい。
The
酸化剤ガス供給用マニホールドに関連して、シール32aと同様に、図3に示すように貫通穴28a,28bと酸化剤ガス流路24とを囲むシール34がセパレータ20に設けられ、図4に示すように貫通穴30aを囲むシール36aがセパレータ22に設けられる。また、同様に、酸化剤ガス回収用マニホールドに関連して、図1に示すように貫通穴26bを囲むシール32bがMEA支持体18に設けられ、図4に示すように貫通穴30bを囲むシール36bがセパレータ22に設けられる。
In connection with the oxidant gas supply manifold, a
セパレータ22は、セパレータ20と同様の材料、例えばカーボンや金属材料から作製されている。セパレータ20はまた、図2に示すように、燃料ガスをアノード14に供給するために、アノード14と対向する表面に、燃料ガスが流れる燃料ガス流路40を備える。なお、燃料ガス流路40も、酸化剤ガス流路24と同様に、切削加工またはプレス加工によって作製される。
The
燃料ガス流路40に対して燃料ガスを供給するマニホールドは、図1に示すようにMEA支持体18に形成された貫通穴42aと、図3に示すようにセパレータ20に形成された貫通穴44aと、図4に示すようにセパレータ22に形成された貫通穴46aとが流体密に流体接続することにより(すなわち単電池10の積層方向に重なることにより)構成される。
As shown in FIG. 1, the manifold for supplying fuel gas to the fuel
また、燃料ガス流路40から燃料ガス(反応に使用されずに残った燃料ガス)を回収するマニホールドは、MEA支持体18に形成された貫通穴42bと、セパレータ20に形成された貫通穴44bと、セパレータ22に形成された貫通穴46bとが流体密に流体接続することにより(すなわち単電池10の積層方向に重なることにより)構成される。
A manifold that collects fuel gas (fuel gas that remains without being used in the reaction) from the fuel
セパレータ22の燃料ガス流路40は、図示されていないが、反応ガス供給用マニホールドの一部を構成する貫通穴46aから反応ガス回収用マニホールドの一部を構成する貫通穴46bへと蛇行しながら延びている。
Although not shown, the fuel
なお、燃料ガス供給用マニホールドに関連して、図1に示すように貫通穴42a,42b、アノード14を囲むシール48がMEA支持体18に設けられ、図3に示すように貫通穴44aを囲むシール50aがセパレータ20に設けられ、図4に示すように貫通穴46aを囲むシール52aがセパレータ22に設けられる。同様に、燃料ガス回収用マニホールドに関連して、図3に示すように貫通穴44bを囲むシール50bがセパレータ20に設けられ、図4に示すように貫通穴46bを囲むシール52bがセパレータ22に設けられる。
In connection with the fuel gas supply manifold, a
セパレータ22はまた、図2や図4に示すように、単電池10から発生した熱を回収する冷媒が流れる冷媒流路60を、セパレータ20と対向する表面に備える。
As shown in FIGS. 2 and 4, the
ただし、冷媒用マニホールドは、酸化剤ガスや燃料ガス用のマニホールドとは異なり、単電池10の内部に構成されておらず、単電池10と着脱可能に構成されている。
However, unlike the manifold for oxidant gas and fuel gas, the refrigerant manifold is not configured inside the
図1や図2に示すように、冷媒用マニホールド62は、図11に示す従来の燃料電池のような単電池の積層体(スタック)に対して1つ設けられるマニホールドと異なり、各単電池10に対して設けられている。単電池10それぞれには、冷媒供給用と冷媒回収用として、2つの冷媒用マニホールド62が設けられている。
As shown in FIG. 1 and FIG. 2, the
冷媒用マニホールド62は、図2に示すように、冷媒が通過する流路として、一方側に連結する冷媒用マニホールド62から他方側に連結する冷媒用マニホールド62とを流体接続するメイン流路(主流路)62cと、メイン流路62cとセパレータ22の冷媒流路60とを流体接続するサブ流路(副流路)62dとを備えている。
As shown in FIG. 2, the
冷媒用マニホールド62はまた、単電池10に対して着脱可能に収容されるように構成されている。具体的には、冷媒用マニホールド62は、図1に示すように単電池10の積層方向に見た場合には四角形状であって、図2に示すように積層方向に対して直交する方向(特定の一方向)に見た場合には「L」字形状のブロック体で構成されている。具体的には、冷媒用マニホールド62は、主流路62cを形成し、厚さ(単電池10の積層方向厚さ)が単電池10の厚さとほぼ同一の主流路部62hと、副流路62dを形成し、厚さが単電池10の厚さに比べて小さい副流路部62iから構成されている。
The
主流路部62hと副流路部62iとから構成されている「L」字形状の冷媒用マニホールド62を収容するスペースを、単電池10は備える。単電池10のMEA支持体18、セパレータ20、およびセパレータ22が、冷媒用マニホールド62と対応する形状の切り欠き64、66、および68とを備える。具体的には、図2に示すように冷媒用マニホールド62の副流路部62iが単電池10に挟持されるように、また、図1に示すように冷媒用マニホールド62を単電池10の輪郭からはみ出ることなく収容できるように、切り欠き64,66,および68は形成されている。これにより、冷媒用マニホールド62が取り付けられた単電池10は、概ね直方体形状となる。図2に示すように、冷媒用マニホールド62の副流路部62iが積層された単電池10に挟持されるため、冷媒用マニホールド62が対応する単電池10から脱落することが抑制される。
The
また、冷媒用マニホールド62が取り外された状態の単電池10の一部を示す図5に示すように、冷媒用マニホールド62は、単電池10のセパレータ20に対して着脱可能に位置決め固定される。具体的には、セパレータ20には、図3に示すように、冷媒用マニホールド62と流体接続するためのシール面20aが形成されている。このシール面20aは、単電池10の積層方向と直交する平面で構成されている。また、そのシール面20aには、位置決めするための位置決め部として2つの位置決め穴20bが形成されている。そのセパレータ20のシール面20aと流体密に係合する冷媒用マニホールド62のシール面62aは、副流路部62iに形成されている。また、シール面62aに、位置決め穴20bに挿入される突起部62bが形成されている。なお、このシール面62aは、単電池10の積層方向と直交する平面で構成されており、冷媒用マニホールド62が単電池10に収容されたとき、セパレータ20のMEA側の面とセパレータ22側の面との間に位置する。
Moreover, as shown in FIG. 5 which shows a part of the
さらに、冷媒用マニホールド62は、他の冷媒用マニホールド62に対しても着脱可能に連結できるように構成されている。図2に示すように、2つの単電池10のうちの一方に取り付けられている冷媒用マニホールド62は、他方の単電池10に取り付けられている冷媒用マニホールド62と、単電池10の積層方向に連結するように構成されている。
Further, the
冷媒用マニホールド62はまた、図5に示すように、冷媒用マニホールド62同士を流体接続するためのシール面62gを備える。シール面62gは、主流路部62hの単電池10の積層方向両端それぞれに形成されている。シール面62gは、単電池10の積層方向と直交する平面で構成されている。
As shown in FIG. 5, the
上述したように、冷媒用マニホールド62の主流路部62hに形成されたシール面62g、単電池10に形成されたシール面20a、および副流路部62iに形成されたシール面62aが単電池10の積層方向と直交する平面で構成される。そのため、単電池10を積層方向に締結することにより、冷媒用マニホールド62のシール面62gと単電池10のシール面20aとを流体密に係合させることができるとともに、冷媒用マニホールド62のシール面62g同士を流体密に係合させることができる。したがって、図11に示す従来例のように、1つの冷媒用マニホールドを、単電池の積層方向と直交する方向に単電池のスタックに取り付ける場合に比べて、単電池の積層ズレ(積層方向と直交する方向のズレ)が生じにくい。
As described above, the
なお、冷媒用マニホールド62のシール面62a、62gと、単電池10のシール面20aは、単電池10の積層方向と直交する平面に限らず、積層方向と交差する平面であってもよい。好ましくは、図10に示すように、冷媒用マニホールド62のシール面62’は、主流路部62h側から下方向に傾斜する傾斜面で構成される。また、単電池10のシール面20a’も、冷媒用マニホールド62のシール面62a’と流体密に係合する傾斜面で構成される。これにより、2つの単電池10に挟持される冷媒用マニホールド62は、対応する単電池10からより脱落し難くなる。
The sealing surfaces 62a and 62g of the
なお、MEA支持体18の切り欠き64、セパレータ20の切り欠き66、またはセパレータ22の切り欠き68の少なくとも1つと冷媒用マニホールド62との間のクリアランスを小さくし、冷媒用マニホールド62が単電池10に嵌合される構造にしてもよい。この場合、位置決め穴20bと突起部62bとを省略することができる。
Note that the clearance between the
図2や図5に示すように、冷媒用マニホールド62のメイン流路62cは、単電池10の積層方向(冷媒用マニホールド62の連結方向)に延びており、隣接する冷媒用マニホールド62のメイン流路62cとシール面62gを介して流体密に流体接続する。メイン流路62c同士が流体密に接続するために、図1に示すように、メイン流路62cの開口を囲むリング状のシール70がシール面62gに設けられている。シール70も、他のシールと同様に、シール層として冷媒用マニホールド62に一体的に形成されてもよいし、または図6に示すようにリング状シール70’を冷媒用マニホールド62に形成された溝62eに圧入して設けてもよい。
As shown in FIGS. 2 and 5, the
図2や図5に示すように、冷媒用マニホールド62のサブ流路62dは、メイン流路62cからシール面62aに連絡されている(シール面62aにサブ流路62dの開口が形成されている)。このサブ流路62dと流体密に流体接続する流路20cがセパレータ20に形成されている。サブ流路62dと流路20cとを流体密に流体接続するために、図5に示すように、サブ流路62dの開口を囲むリング状のシール72がシール面20aに設けられている。シール72も、シール70と同様に、シール層として冷媒用マニホールド62に一体的に形成されてもよいし、または図6に示すようにリング状シール72’を冷媒用マニホールド62に形成された溝62fに圧入して設けてもよい。
As shown in FIGS. 2 and 5, the
なお、図2に示すように、冷媒用マニホールド62は、セパレータ20に形成された流路20cを介して、セパレータ22に形成された冷媒流路60に流体接続されている。しかしながら、セパレータ20を介さずに、冷媒用マニホールド62とセパレータ22に形成された冷媒流路60とを直接的に流体接続するように単電池10を構成することは可能であり、その構成は当業者であれば明らかであり、さらにはそのような構成も本発明の範囲に含まれる。
As shown in FIG. 2, the
このような構成により、セパレータ20、22の冷媒流路60の両端を冷媒用マニホールド62によって単電池10の積層方向に押圧し、冷媒漏れを抑えることができる。すなわち、MEA部分に必要以上の圧力を加える必要がない。
With such a configuration, both ends of the
また、冷媒用マニホールド62の主流路62cのシール70を、副流路62dのシール72に比べて反発力が小さい材料(低弾性の材料)で作製するのが好ましい。シール70は外部から視認可能であるため、シール70が良好にシールしていることを視認できれば、シール70に比べて反発力が大きいシール72も良好にシールしているとみなすことができる。
Further, it is preferable that the
また、詳細は後述するが、冷媒用マニホールド62を流れる冷媒によるセパレータ20,22の電流腐食を抑制するために、サブ流路62dの流路断面積(冷媒の流れ方向と直交する断面の面積)は、メイン流路62cの流路断面積に比べて小さくするのが好ましい。加えて、サブ流路62dは、セパレータ22の冷媒流路60に対して単電池10の積層方向に流体接続するのが好ましい。これにより、図2に示すように、サブ流路62dは屈曲形状を含み、セパレータ22の冷媒流路60に対して、単電池10の積層方向と直交する方向に流体接続する場合に比べて、流路長が長くなる。言い換えると、燃料電池全体のサイズを大きくすることなく、サブ流路62dを長くすることができる。このように、サブ流路62dを構成することにより、冷媒の電気抵抗が高くなり、セパレータ20,22の電流腐食を抑制することができる。
Although details will be described later, in order to suppress current corrosion of the
また、サブ流路62dがセパレータ22の冷媒流路60に対して単電池10の積層方向に流体接続する場合、副次的な効果が存在する。すなわち、複数の単電池10を積層して締結する締結力(例えば、10〜20kgf/cm2)が単電池10の積層方向に作用しているため、この締結力を、冷媒用マニホールド62のシール面62aとセパレータ20のシール面20aとの流体密な係合に利用することができる。すなわち、冷媒用マニホールド62と単電池10との流体密な(シール部材72を介する)流体接続を維持する手段を別途設ける必要がなくなる。Further, when the
加えてまた、冷媒用マニホールド62は、冷媒が水などの導電性を有する流体である場合、樹脂などの非導電性材料から作製されるのが好ましい。冷媒が導電性である場合、少なくとも1つの単電池10を介在して離れる2つの単電池10間で、冷媒を介する短絡が生じる。このとき、冷媒用マニホールド62が金属材料から作製されている場合、冷媒用マニホールド62が電流腐食される。したがって、電流腐食を抑制するためには、冷媒用マニホールド62は、非導電性材料、例えば、ポリフェニレンサルファイド(PPS)、変性ポリフェニレンエーテル(PPE)、ガラス入りポリプロピレン樹脂(PPG)、フェノール樹脂などの材料から作製されるのが好ましい。
In addition, the
なお、冷媒用マニホールド62が金属材料から作製される場合、電流腐食の対策として、絶縁体をコーティングする、または、マニホールドの機能にほとんど影響を与えない冷媒の流路内の位置に、電流腐食が集中して起こるような突起部や他の金属部材を設けてもよい。
When the
また、冷媒を介する電流腐食に関連して、シール70,72も非導電性材料が好ましい。シール70,72は、弾性も必要であることから、例えば、ポリイソブチレン系樹脂、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、アクリル樹脂、フッ素樹脂、エラストマーなどの材料から作製されるのが好ましい。
In addition, in connection with current corrosion via the refrigerant, the
なお、冷媒用マニホールド62に一体的にシール70,72を設ける場合、接合性を考慮して材料を選択する必要がある。例えば、冷媒用マニホールド62がガラス入りポリプロピレン樹脂(PPG)である場合、シール70,72はエラストマー材料が適している。
When the
このように、図11に示すように燃料電池(単電池のスタック)に対して1つの冷媒用マニホールドを設けるのではなく、スタックを構成する各単電池10に冷媒用マニホールド62を設け且つその冷媒用マニホールド62を単電池10と着脱可能にすることにより、例えば、故障や不良を原因として一つの単電池10を交換する場合、他の単電池10の冷媒流路60と対応する冷媒用マニホールド62との間の流体接続を解除する必要がなくなる。
As shown in FIG. 11, instead of providing one refrigerant manifold for the fuel cell (unit cell stack), each
例えば、交換対象の単電池10の両側それぞれに位置する複数の単電池10(単電池10のスタック)を、スタック状態を維持しつつ且つそれぞれに接続されている冷媒用マニホールド62を取り外すことなく、交換対象の単電池10から取り外す。これにより、冷媒用マニホールド62が取り付けられた状態の交換対象の単電池10を燃料電池から取り除くことができる。また、交換対象の単電池10に取り付けられていた冷媒用マニホールド62は、新しい単電池10に取り付けることができる。
For example, a plurality of unit cells 10 (stacks of unit cells 10) located on both sides of the
さらに、交換対象以外の燃料電池10の冷媒流路60と対応する冷媒用マニホールド62との流体接続は維持されているため、これらの間の良好な流体密な(シール部材72を介する)流体接続は担保されている。その結果、複数の単電池10の中から1つの単電池10を交換しても、各単電池10の冷媒流路60と対応する冷媒用マニホールド62との間の良好な流体密な流体接続は、短時間で済む。
Furthermore, since the fluid connection between the
また、冷媒用マニホールド62を各単電池10に着脱可能に設けることにより、すなわち単電池10と別体とすることにより、冷媒用マニホールドが単電池のセパレータを貫通する内部マニホールドである場合に比べて、燃料電池が長寿命化する。このことについて、図7に示す、冷媒用マニホールドが単電池のセパレータを貫通する内部マニホールドである燃料電池と比較しながら説明する。
Further, the
図7に示す比較例の燃料電池300は複数の単電池302を有する。各単電池302は、MEA支持体304と、セパレータ306,308とを有する。セパレータ308に、冷媒が流れる冷媒流路310が形成されている。また、燃料電池300は、各単電池302の冷媒流路310に冷媒を供給する、単電池302のセパレータ306,308を貫通する内部マニホールドである冷媒用マニホールド312を備える。
The
図8(A)は、実施例である外部マニホールドである冷媒用マニホールド62内の冷媒における腐食電流の分布を示している。図8(B)は、比較例である内部マニホールドである冷媒用マニホールド312内の冷媒における腐食電流の分布を示している。図8(A)および図8(B)において、矢印の長さは腐食電流の大きさを示し、矢印の方向は腐食電流の方向を示している。
FIG. 8A shows the distribution of the corrosion current in the refrigerant in the
図8(A)および図8(B)に示す腐食電流分布は、ANSYS社の有限要素法ソフトウェア「ANSYS」の電磁場解析モジュール「ANSYS Emag」を用いて算出した。このモジュールは、導体および容量を含む系の低周波電気回路および電場とともに、電流または永久磁石による磁場のシミュレーションを行うことができる。また、低周波電磁場の静解析、過渡解析、および調和解析用の広範囲なツールセットが備わり、静電場、静磁場、電磁場、電気回路、および電流伝導のシミュレーションが可能であり、静電場および静磁場での荷電粒子トレーシングのシミュレーションも行える。 The corrosion current distribution shown in FIG. 8A and FIG. 8B was calculated using an electromagnetic field analysis module “ANSYS Emag” of ANSYS finite element method software “ANSYS”. This module is capable of simulating magnetic fields with currents or permanent magnets, as well as low frequency electrical circuits and electric fields of the system including conductors and capacitors. It also has a comprehensive set of tools for static, transient, and harmonic analysis of low-frequency electromagnetic fields, allowing simulation of electrostatic, static, electromagnetic, electrical, and current conduction, and electrostatic and static magnetic fields. You can also perform charged particle tracing simulations.
また、解析条件は、21個の単電池を直列に積層し、冷媒の導電率10μSとした。なお、図8は、図面を簡略化するために、実施例(図8(A))では6個の単電池、比較例(図8(B))では5つの単電池における腐食電流分布を示している。 The analysis condition was that 21 unit cells were stacked in series, and the conductivity of the refrigerant was 10 μS. In order to simplify the drawing, FIG. 8 shows the corrosion current distribution in six cells in the example (FIG. 8A) and five cells in the comparative example (FIG. 8B). ing.
図8(A)に示す領域A1は、冷媒用マニホールド62のメイン流路62cとサブ流路62dとの接続領域を示し、A2はサブ流路62dとセパレータ20との接続領域を示している。図8(B)に示す領域A3は、内部マニホールド312とセパレータ308の接続領域を示している。なお、図8(A)に示すサブ流路62dの形状と、図2に示すサブ流路62dの形状と異なるが、流路長や流路断面積は同一である。
An area A1 shown in FIG. 8A indicates a connection area between the
図8(A)に示すように、実施例の場合、高電位側および低電位側の単電池においては、冷媒用マニホールド62のサブ流路62dとセパレータ20との接続領域A2で腐食電流の密度が高いものの、中電位の単電池においては、腐食電流の密度が低い。接続領域A1で腐食電流密度が高い理由は、メイン流路62cに比べてサブ流路62dの流路断面積が小さいことによる。
As shown in FIG. 8A, in the case of the example, in the single cell on the high potential side and the low potential side, the density of the corrosion current in the connection region A2 between the
それに対して、図8(B)に示すように、比較例の場合、単電池の電位に関係なく、内部マニホールド312とセパレータ308の接続領域A3で腐食電流の密度が高い。
On the other hand, as shown in FIG. 8B, in the case of the comparative example, the density of the corrosion current is high in the connection region A3 between the
各単電池における腐食電流密度の具体的な値を図9に示す。図9において実線(四角ドット)は、21個の単電池それぞれにおける、冷媒用マニホールド62のサブ流路62dとセパレータ20との接続領域A2での腐食電流密度値を示している。一方、点線(三角ドット)は、21個の単電池それぞれにおける、内部マニホールド312とセパレータ308の接続領域A3での腐食電流密度値を示している。0番目の単電池が最も電位が低く、順に電位が高くなり、20番目の単電池が最も高電位である。
The specific value of the corrosion current density in each unit cell is shown in FIG. In FIG. 9, the solid line (square dot) indicates the corrosion current density value in the connection region A2 between the
実施例(実線)の場合、単電池が高電位または低電位になるほど、腐食電流密度は高く、0番目および20番目の単電池(すなわち最低電位および最高電位の単電池)における腐食電流密度は、約0.35A/m2である。また、10番目の単電池の腐食電流密度は、ほぼゼロである。この10番目の単電池の電位を基準として電位が上がるほどまたは下がるほど、腐食電流密度が高くなる。In the case of the example (solid line), the higher the cell is, the lower the potential, the higher the corrosion current density, and the corrosion current density in the 0th and 20th cells (ie, the lowest and highest potential cells) is About 0.35 A / m 2 . Further, the corrosion current density of the tenth unit cell is almost zero. As the potential increases or decreases with respect to the potential of the tenth unit cell, the corrosion current density increases.
これに対して、比較例(点線)の場合、ゼロ番目および20番目の単電池(すなわち最低電位および最高電位の単電池)における腐食電流密度は、約0.91A/m2である。また、3番目〜17番目の単電池における腐食電流密度は、約0.7A/m2である。さらに、全ての単電池における腐食電流密度は、実施例に比べて高い。On the other hand, in the case of the comparative example (dotted line), the corrosion current density in the zeroth and twentieth unit cells (that is, the unit cells having the lowest potential and the highest potential) is about 0.91 A / m 2 . Further, the corrosion current density in the third to seventeenth cells is about 0.7 A / m 2 . Furthermore, the corrosion current density in all the single cells is higher than in the examples.
したがって、実施例と比較例とを比較すれば、図2に示すように冷媒用マニホールドを単電池と着脱可能な(すなわち別体の)外部マニホールド62とすることにより、図7に示すような冷媒用マニホールドが単電池のセパレータを貫通する内部マニホールド312である場合に比べて、冷媒とセパレータとの間に発生する腐食電流密度が小さくなることがわかる、すなわちセパレータの腐食を抑制できることがわかる。
Accordingly, when the embodiment and the comparative example are compared, the refrigerant manifold shown in FIG. 7 is obtained by making the refrigerant manifold an
さらに、図8(A)に示すように、冷媒用マニホールド62において、サブ流路62dを、メイン流路62cに比べて流路断面積を小さくし、さらに流路を屈曲させるなどしてメイン流路62cからセパレータ20までの流路長を長くすれば、メイン流路62cとセパレータ20間の冷媒の電気抵抗を高めることができる。これにより、冷媒用マニホールド62のサブ流路62dとセパレータ20との接続領域A2での腐食電流密度値を、さらに低下させることができる。
Further, as shown in FIG. 8 (A), in the
以上、本実施の形態によれば、複数の冷媒用マニホールド62が単電池10それぞれに着脱可能に設けられ、また各単電池10に設けられた冷媒用マニホールド62同士が連結可能であるため、1つの単電池10が不良であっても、他の単電池10の冷媒流路60と対応する冷媒用マニホールド62との間の流体接続を解除する必要がない。したがって、単電池10それぞれの冷媒流路60と対応する冷媒用マニホールド62とを短時間で良好に流体密に流体接続することができる。また、冷媒用マニホールド62が単電池10と着脱可能であること(すなわち別体であること)により、セパレータを貫通する内部マニホールドとして単電池内に冷媒用マニホールドが設けられる場合に比べて、冷媒用マニホールド内の冷媒によるセパレータの電流腐食を抑制することができ、高分子電解質型燃料電池が長寿命化する。
As described above, according to the present embodiment, the plurality of
以上、上述の一実施の形態を挙げて本発明を説明したが、本発明は上述の実施の形態に限らない。 Although the present invention has been described with reference to the above-described embodiment, the present invention is not limited to the above-described embodiment.
例えば、上述の実施の形態の場合、図1や図2に示すように、各単電池10に設けられる冷媒用マニホールド62は2つあって、一方が冷媒を冷媒流路60に対して供給する冷媒供給用、他方が冷媒流路60から冷媒を回収する冷媒回収用であるが、本発明はこれに限らない。例えば、冷媒供給用のメイン流路およびサブ流路と、冷媒回収用のメイン流路およびサブ流路とを備える1つの冷媒用マニホールドも実現可能である。この場合、冷媒流路は、冷媒用マニホールドが取り付けられているセパレータの一方の端から他方の端に向かって延び、他方の端で折り返して一方の端に延びるような形状にする必要がある。
For example, in the case of the above-described embodiment, as shown in FIGS. 1 and 2, there are two
本発明に係る高分子電解質型燃料電池は、ポータブル電源、電気自動車用電源、家庭内コージェネレーションシステムなどに使用する燃料電池として使用することができる。 The polymer electrolyte fuel cell according to the present invention can be used as a fuel cell used for a portable power source, an electric vehicle power source, a domestic cogeneration system, and the like.
10 単電池
12 高分子電解質膜
14 アノード
16 カソード
22 セパレータ
60 流路(冷媒流路)
62 マニホールド(冷媒用マニホールド)
62c 主流路(メイン流路)
62d 副流路(サブ流路)DESCRIPTION OF
62 Manifold (Manifold for refrigerant)
62c Main channel (main channel)
62d Sub channel (sub channel)
Claims (8)
単電池それぞれに着脱可能に設けられた複数の冷媒用マニホールドを有し、
各単電池の冷媒用マニホールドは、他の単電池の冷媒用マニホールドに連結可能であって、且つ一方側に連結する冷媒用マニホールドと他方側に連結する冷媒用マニホールドとを流体接続する、単電池の積層方向に延びる主流路と、主流路とセパレータの冷媒用流路とを流体接続する副流路とを備える、高分子電解質型燃料電池。An ion conductive polymer electrolyte membrane, an anode disposed on one side of the polymer electrolyte membrane, a cathode disposed on the other side of the polymer electrolyte membrane, and a conductive separator formed with a refrigerant flow path A polymer electrolyte fuel cell in which a plurality of unit cells including:
It has a plurality of refrigerant manifolds that are detachably attached to each unit cell,
A refrigerant manifold of each unit cell is connectable to a refrigerant manifold of another unit cell, and fluidly connects a refrigerant manifold connected to one side and a refrigerant manifold connected to the other side. A polymer electrolyte fuel cell comprising: a main channel extending in the stacking direction; and a sub-channel that fluidly connects the main channel and the refrigerant channel of the separator.
冷媒用マニホールドの副流路部を積層された単電池が挟持できるように、単電池に冷媒用マニホールドの副流路部が収容されるスペースが形成されている、請求項1に記載の高分子電解質型燃料電池。The refrigerant manifold is composed of a main flow path portion that forms a main flow path, and a sub flow path portion that forms a sub flow path and has a smaller thickness in the stacking direction of the cells than the main flow path portion,
The polymer according to claim 1, wherein a space for accommodating the sub-flow channel portion of the refrigerant manifold is formed in the single cell so that the single cells stacked with the sub-flow channel portion of the refrigerant manifold can be sandwiched. Electrolytic fuel cell.
副流路のシール面に設けられる副流路用シールとを有し、
主流路用シールが、副流路用シールに比べて反発力が小さい材料で作製されている、請求項1から7のいずれか一項に記載の高分子電解質型燃料電池。A main flow path seal provided on the main flow path seal surface and a sub flow path seal provided on the sub flow path seal surface;
The polymer electrolyte fuel cell according to any one of claims 1 to 7, wherein the main channel seal is made of a material having a smaller repulsive force than the sub channel seal.
Priority Applications (1)
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