JP5266666B2 - Fuel cell stack - Google Patents
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Description
本発明は、燃料電池積層体に関するものであり、特に、燃料電池積層体の反応ガス供給マニホールド、反応ガス排出マニホールドの技術に関する。 The present invention relates to a fuel cell stack, and more particularly, to a technology of a reaction gas supply manifold and a reaction gas discharge manifold of the fuel cell stack.
燃料電池積層体は、燃料電池セルを複数積層して構成される。一般的に燃料電池セルは、電解質膜を介して配置される一対の電極(アノード極及びカソード極)を有する膜−電極アッセンブリと、電極を挟持する一対の燃料電池用セパレータ(アノード極セパレータ、カソード極セパレータ)とを有する。燃料電池セルの発電時には、アノード極に供給するアノードガスを水素ガス、カソード極に供給するカソードガスを酸素ガスとした場合、アノード極側では、水素イオン及び電子にする反応が行われ、水素イオンは電解質膜中を通りカソード極側に、電子は外部回路を通じてカソード極に到達する。一方、カソード極側では、水素イオン、電子及び酸素ガスが反応して水分を生成する反応が行われ、エネルギを放出する。 The fuel cell stack is configured by stacking a plurality of fuel cells. In general, a fuel cell includes a membrane-electrode assembly having a pair of electrodes (anode electrode and cathode electrode) disposed via an electrolyte membrane, and a pair of fuel cell separators (anode electrode separator, cathode) sandwiching the electrodes. Electrode separator). At the time of power generation of the fuel cell, when the anode gas supplied to the anode electrode is hydrogen gas and the cathode gas supplied to the cathode electrode is oxygen gas, a reaction to form hydrogen ions and electrons is performed on the anode electrode side. Passes through the electrolyte membrane to the cathode electrode side, and electrons reach the cathode electrode through an external circuit. On the other hand, on the cathode side, hydrogen ions, electrons, and oxygen gas react to generate moisture, and energy is released.
図8は、一般的な燃料電池積層体の構成を示す一部透過模式図である。図8に示すように、燃料電池積層体3は、複数積層された燃料電池セル4と、積層方向端部に分配器36とを有する。また、燃料電池積層体3には、各燃料電池セル4に反応ガスを供給するための反応ガス通路である反応ガス供給マニホールド(アノードガス供給マニホールド、カソードガス供給マニホールド)、各燃料電池セルからの反応ガスを排出するための反応ガス通路である反応ガス排出マニホールド(アノードガス排出マニホールド、カソードガス排出マニホールド)が形成されている。図8には、一例として、反応ガス供給マニホールドとしてのアノードガス供給マニホールド38a、反応ガス排出マニホールドとしてのアノードガス排出マニホールド38bを透過した形で、破線で表している。
FIG. 8 is a partially transparent schematic view showing the configuration of a general fuel cell stack. As shown in FIG. 8, the
図9は、燃料電池セルに用いられる燃料電池用セパレータを示す模式平面図である。図9に示すように、燃料電池用セパレータ40は、反応ガス流路42と、反応ガス供給マニホールド孔としてのアノードガス供給マニホールド孔42a及びカソードガス供給マニホールド孔44aと、反応ガス排出マニホールド孔としてのアノードガス排出マニホールド孔42b及びカソードガス排出マニホールド孔44bと、冷却水供給マニホールド孔46aと、冷却水排出マニホールド孔46bとを備える。
FIG. 9 is a schematic plan view showing a fuel cell separator used in a fuel cell. As shown in FIG. 9, the
燃料電池セル2を積層する際に、隣接する燃料電池用セパレータ40のアノードガス供給マニホールド孔42aを重ね合わせることにより、図8に示すような、積層方向に連通したアノードガス供給マニホールド38aが形成され、隣接する燃料電池用セパレータ40のアノードガス排出マニホールド孔42bを重ね合わせることにより、図8に示すような、積層方向に連通したアノードガス排出マニホールド38bが形成される。同様に、カソードガス供給マニホールド孔44a、カソードガス排出マニホールド孔44bを重ね合わせることにより、積層方向に連通したカソードガス供給マニホールド(不図示)、カソードガス排出マニホールド(不図示)がそれぞれ形成される。
When the
上記でも説明したように、燃料電池セルの発電時には、水分が生成する。発電時に生成した水分は、図9に示す燃料電池用セパレータ40の反応ガス流路42を通り、反応ガス供給マニホールド孔(アノードガス供給マニホールド孔42a、カソードガス供給マニホールド孔44a)又は反応ガス排出マニホールド孔(アノードガス排出マニホールド孔42b、カソードガス排出マニホールド孔44b)を介して、反応ガス供給マニホールド(図8に示すアノードガス供給マニホールド38a、不図示のカソードガス供給マニホールド)又は反応ガス排出マニホールド(図8に示すアノードガス排出マニホールド38b、不図示のカソードガス排出マニホールド)を通り燃料電池積層体3外へ排水される。
As described above, moisture is generated during power generation of the fuel cell. Moisture generated during power generation passes through the reaction
燃料電池積層体3を水平に設置する場合には、反応ガス供給マニホールド及び反応ガス排出マニホールドも水平であるため、燃料電池積層体3外へ排水される水分は、反応ガス供給マニホールド又は反応ガス排出マニホールドに滞留し易い。反応ガス供給マニホールド又は反応ガス排出マニホールドに滞留した水分が、氷点下環境下で凍結すると、燃料電池積層体3の電圧降下、リーク等が発生し、燃料電池積層体3の発電性能が低下する場合がある。
When the
例えば、燃料電池積層体3を傾斜させて設置し、反応ガス供給マニホールド及び反応ガス排出マニホールドを傾斜させることにより、反応ガス供給マニホールド又は反応ガス排出マニホールドに滞留する水分の排水性を向上させることも可能である。しかし、傾斜設置した燃料電池積層体は、水平設置した燃料電池積層体より、広いスペースが必要となるため、車輌等に搭載できない場合がある。
For example, by disposing the
また、例えば、特許文献1には、燃料電池積層体を水平に設置させても反応ガス供給マニホールド及び反応ガス排出マニホールドが傾斜するように、反応ガス供給マニホールド孔及び反応ガス排出マニホールド孔の形成位置を燃料電池用セパレータ毎にずらした燃料電池積層体が提案されている。
Further, for example, in
しかし、特許文献1の燃料電池積層体では、反応ガス供給マニホールド孔、反応ガス排出マニホールド孔の形成位置が異なる複数種の燃料電池用セパレータを作製する必要があるため、燃料電池積層体の構成が複雑になる場合がある。
However, in the fuel cell stack of
本発明は、燃料電池積層体の簡素な構成でも反応ガス供給マニホールド又は反応ガス排出マニホールドに水分が滞留することを抑制することができる燃料電池積層体である。 The present invention is a fuel cell stack that can suppress the retention of moisture in the reaction gas supply manifold or the reaction gas discharge manifold even with a simple configuration of the fuel cell stack.
本発明は、反応ガス供給マニホールド孔及び反応ガス排出マニホールド孔を含む燃料電池用セパレータを有する燃料電池セルが複数積層されることにより、前記反応ガス供給マニホールド孔、前記反応ガス排出マニホールド孔が積層方向に連通した反応ガス供給マニホールド及び反応ガス排出マニホールドを有する燃料電池積層体であって、前記反応ガス供給マニホールド及び前記反応ガス排出マニホールドのうち少なくともどちらか一方が傾斜するように、隣接する前記燃料電池用セパレータの位置を所定の回転方向にずらした位置に配置し積層する。 In the present invention, the reaction gas supply manifold hole and the reaction gas discharge manifold hole are stacked in a stacking direction by stacking a plurality of fuel cells having a fuel cell separator including a reaction gas supply manifold hole and a reaction gas discharge manifold hole. A fuel cell stack having a reaction gas supply manifold and a reaction gas discharge manifold communicated with each other, wherein at least one of the reaction gas supply manifold and the reaction gas discharge manifold is inclined so as to be inclined. The separator is disposed at a position shifted in a predetermined rotation direction and stacked.
また、前記燃料電池積層体において、前記傾斜する方向は、前記反応ガス供給マニホールド及び前記反応ガス排出マニホールドを通過する反応ガスの進行方向に向かって下方向であることが好ましい。 In the fuel cell stack, it is preferable that the inclined direction is a downward direction toward a traveling direction of the reactive gas passing through the reactive gas supply manifold and the reactive gas discharge manifold.
また、前記燃料電池積層体において、前記燃料電池用セパレータは、前記積層方向から見たときに円形であることが好ましい。 In the fuel cell stack, the fuel cell separator is preferably circular when viewed from the stacking direction.
また、前記燃料電池積層体において、前記燃料電池用セパレータは、前記積層方向から見たときに正円形であることが好ましい。 In the fuel cell stack, it is preferable that the fuel cell separator has a circular shape when viewed from the stacking direction.
また、前記燃料電池積層体において、前記燃料電池用セパレータは、板状であることが好ましい。 In the fuel cell stack, the fuel cell separator is preferably plate-shaped.
また、前記燃料電池積層体において、前記所定の回転方向は、前記円形の燃料電池用セパレータの中心を軸とした回転方向であることが好ましい。 In the fuel cell stack, the predetermined rotation direction is preferably a rotation direction about the center of the circular fuel cell separator.
また、前記燃料電池積層体において、前記燃料電池用セパレータは反応ガス流路を有し、前記反応ガス流路が形成される領域の外形形状が円形であることが好ましい。
In the fuel cell stack, it is preferable that the fuel cell separator has a reaction gas channel, and an outer shape of a region where the reaction gas channel is formed is circular.
また、前記燃料電池セルにおいて、前記反応ガス供給マニホールドは、アノードガス供給マニホールド及びカソードガス供給マニホールドであり、前記反応ガス排出マニホールドは、アノードガス排出マニホールド及びカソードガス排出マニホールドであり、前記アノードガス排出マニホールドが、前記アノードガス排出マニホールドを通過する反応ガスの進行方向に向かって下方向に傾斜していることが好ましい。 In the fuel cell, the reaction gas supply manifold may be an anode gas supply manifold and a cathode gas supply manifold, the reaction gas discharge manifold may be an anode gas discharge manifold and a cathode gas discharge manifold, and the anode gas discharge It is preferable that the manifold is inclined downward toward the traveling direction of the reaction gas passing through the anode gas discharge manifold.
また、前記燃料電池積層体において、前記反応ガスのカソードガスが酸素ガスであることが好ましい。 In the fuel cell stack, the cathode gas of the reaction gas is preferably oxygen gas.
本発明によれば、反応ガス供給マニホールド孔及び反応ガス排出マニホールド孔を含む燃料電池用セパレータを有する燃料電池セルが複数積層されることにより、前記反応ガス供給マニホールド孔、前記反応ガス排出マニホールド孔が積層方向に連通した反応ガス供給マニホールド及び反応ガス排出マニホールドを有する燃料電池積層体であって、前記反応ガス供給マニホールド及び前記反応ガス排出マニホールドのうち少なくともどちらか一方が傾斜するように、隣接する前記燃料電池用セパレータを所定の回転方向にずらした位置に配置し積層することにより、燃料電池積層体の簡素な構成でも反応ガス供給マニホールド又は反応ガス排出マニホールドに水分が滞留することを抑制することができる燃料電池積層体を提供することができる。 According to the present invention, the reaction gas supply manifold hole and the reaction gas discharge manifold hole are formed by stacking a plurality of fuel battery cells having fuel cell separators including a reaction gas supply manifold hole and a reaction gas discharge manifold hole. A fuel cell stack having a reaction gas supply manifold and a reaction gas discharge manifold communicated in a stacking direction, wherein at least one of the reaction gas supply manifold and the reaction gas discharge manifold is inclined so as to be inclined. By arranging and stacking fuel cell separators at positions shifted in a predetermined rotational direction, it is possible to suppress moisture from staying in the reaction gas supply manifold or reaction gas discharge manifold even with a simple configuration of the fuel cell stack. Can provide a fuel cell stack .
本発明の実施の形態について以下説明する。 Embodiments of the present invention will be described below.
図1は、本発明の実施形態に係る燃料電池積層体の構成の一例を示す模式斜視図である。図1に示すように、燃料電池積層体1は、複数積層した燃料電池セル2と、積層方向端部に設けた分配器10とを有する。本実施形態では、燃料電池セル2を20個積層したものを例として以下説明するが、積層数は、特に制限されるものではない。
FIG. 1 is a schematic perspective view showing an example of the configuration of a fuel cell stack according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the
図1に示すように分配器10は、アノードガス供給口12aと、アノードガス排出口12bと、カソードガス供給口14aと、カソードガス排出口14bと、冷却水供給口16aと、冷却水排出口16bとを備えている。
As shown in FIG. 1, the
図2は、本実施形態にかかる燃料電池積層体の構成の一例を示す一部透過模式図である。燃料電池積層体1には、各燃料電池セル2に反応ガスを供給するための反応ガス通路である反応ガス供給マニホールド(アノードガス供給マニホールド、カソードガス供給マニホールド)、各燃料電池セル2からの反応ガスを排出するための反応ガス通路である反応ガス排出マニホールド(アノードガス排出マニホールド、カソードガス排出マニホールド)が形成されている。図2には、一例として、反応ガス供給マニホールドとしてのアノードガス供給マニホールド18a、反応ガス排出マニホールドとしてのアノードガス排出マニホールド18bを透過した形で、破線で表している。アノードガス供給マニホールド18aは、図1に示す分配器10のアノードガス供給口12aに接続され、アノードガス排出マニホールド18bは、分配器10のアノードガス排出口12bに接続されている。同様に、カソードガス供給マニホールド(不図示)は、分配器10のカソードガス供給口14aに接続され、カソードガス排出マニホールド(不図示)は、カソードガス排出口14bに接続されている。
FIG. 2 is a partially transparent schematic view showing an example of the configuration of the fuel cell stack according to the present embodiment. The
図3は、本実施形態で用いられる燃料電池セルの構成の一例を示す模式断面図である。図3に示すように、本実施形態で用いられる燃料電池セル2は、膜−電極アッセンブリ19と、膜−電極アッセンブリ19を介して配置される一対の燃料電池用セパレータとしてのアノード極セパレータ20、カソード極セパレータ22を備える。また、燃料電池セパレータ間には、燃料電池セパレータ同士を接着するシール部25が設けられている。
FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing an example of the configuration of the fuel cell used in the present embodiment. As shown in FIG. 3, the
図4(イ)は、本実施形態に用いられるアノード極セパレータの構成の一例を示す模式平面図であり、図4(ロ)は、本実施形態に用いられるカソード極セパレータの構成の一例を示す模式平面図である。図4(イ),(ロ)に示すアノード極セパレータ20、カソード極セパレータ22は、燃料電池積層体1の積層方向から見た状態を表している。
FIG. 4A is a schematic plan view showing an example of the configuration of the anode separator used in this embodiment, and FIG. 4B shows an example of the configuration of the cathode separator used in this embodiment. It is a schematic plan view. The
図4(イ),(ロ)に示すように、アノード極セパレータ20及びカソード極セパレータ22はそれぞれ、反応ガス流路としてのアノードガス流路26又はカソードガス流路28と、反応ガス供給マニホールド孔としてのアノードガス供給マニホールド孔30a及びカソードガス供給マニホールド孔32aと、反応ガス排出マニホールド孔としてのアノードガス排出マニホールド孔30b及びカソードガス排出マニホールド孔32bと、冷却水供給マニホールド孔34aと、冷却水排出マニホールド孔34bとを備える。
As shown in FIGS. 4A and 4B, the
本実施形態の反応ガス供給マニホールド及び反応ガス排出マニホールドは、燃料電池セパレータの反応ガス供給マニホールド孔(図4(イ),(ロ)に示すアノードガス供給マニホールド孔30a及びカソードガス供給マニホールド孔32a)及び反応ガス排出マニホールド孔(図4(イ),(ロ)に示すアノードガス排出マニホールド孔30b及びカソードガス排出マニホールド孔32b)が積層方向に連通したものである。具体的には、燃料電池セルを積層する際に、隣接する燃料電池用セパレータ(例えば、同一燃料電池セル及び隣接する燃料電池セルのアノード極セパレータとカソード極セパレータ)のアノードガス供給マニホールド孔(図4に示すアノードガス供給マニホールド孔30a)の少なくとも一部を重ね合わせることにより、積層方向に連通したアノードガス供給マニホールド(図2に示すアノードガス供給マニホールド18a)が形成され、隣接する燃料電池用セパレータのアノードガス排出マニホールド孔(図4に示すアノードガス排出マニホールド孔30b)の少なくとも一部を重ね合わせることにより、積層方向に連通したアノードガス排出マニホールド(図2に示すアノードガス排出マニホールド18b)が形成される。同様に、カソードガス供給マニホールド孔(図4に示すカソードガス供給マニホールド孔32a)、カソードガス排出マニホールド孔(図4に示すカソードガス排出マニホールド孔32b)の少なくとも一部を重ね合わせることにより、積層方向に連通したカソードガス供給マニホールド、カソードガス排出マニホールドがそれぞれ形成される。
The reaction gas supply manifold and the reaction gas discharge manifold according to the present embodiment include a reaction gas supply manifold hole (an anode gas
さらに、本実施形態の反応ガス供給マニホールド又は反応ガス排出マニホールドは、少なくともいずれか一方が、傾斜しているものである。具体的には、隣接する燃料電池用セパレータを所定の回転方向(図4に示す矢印Y)にずらした位置に配置し積層することによって、反応ガス供給マニホールド又は反応ガス排出マニホールドのうち少なくともいずれか一方を傾斜させことができる。傾斜は、水平方向に対して傾斜しているものである。 Furthermore, at least one of the reaction gas supply manifold and the reaction gas discharge manifold of the present embodiment is inclined. Specifically, by arranging and laminating adjacent fuel cell separators at positions shifted in a predetermined rotational direction (arrow Y shown in FIG. 4), at least one of the reaction gas supply manifold and the reaction gas discharge manifold is arranged. One can be tilted. The inclination is inclined with respect to the horizontal direction.
図5は、本発明の実施形態に係る燃料電池積層体において各燃料電池用セパレータを所定の回転方向にずらした状態を説明するための模式平面図である。図5(イ)は、図2に示す分配器10側の積層方向端部の燃料電池用セパレータを示し、図5(ロ)は、積層方向中央の燃料電池用セパレータを示すものであり、図5(ハ)は、図2に示す分配器10と反対側の積層方向端部の燃料電池用セパレータを示すものである。なお、燃料電池用セパレータは、アノード極セパレータ20を例として説明する。隣接する燃料電池用セパレータを積層方向から見て所定の回転方向にずらすとは、例えば、図5(イ)に示す分配器10側のアノード極セパレータ20aから図5(ハ)に示す分配器10と反対側の積層方向端部のアノード極セパレータ20cに向かって順次、アノード極セパレータの中心点(重心点)を回転軸として回転する方向にそれぞれずらすことである。これにより、アノード極セパレータの反応ガス供給マニホールド孔(アノードガス供給マニホールド孔30a,カソードガス供給マニホールド孔32a)、反応ガス排出マニホールド孔の位置がずれて、図2に示すように、アノードガス供給マニホールド18a、アノードガス排出マニホールド18bが傾斜する。不図示であるが、カソードガス供給マニホールド、カソードガス排出マニホールドも傾斜する。
FIG. 5 is a schematic plan view for explaining a state in which each fuel cell separator is shifted in a predetermined rotation direction in the fuel cell stack according to the embodiment of the present invention. FIG. 5 (a) shows the fuel cell separator at the stacking direction end on the
次に、燃料電池積層体の反応ガスの流れについて説明する。燃料電池積層体の発電時には、アノードガス(例えば、水素ガス)が、図1に示す燃料電池積層体1の外部から分配器10のアノードガス供給口12aを介して、図2に示すアノードガス供給マニホールド18aを通り、各燃料電池セル2に供給される。燃料電池セル2に供給されたアノードガスは、図4(イ)に示すアノードガス供給マニホールド孔30aからアノードガス流路26へ供給される。供給されたアノードガスは、図3に示す膜−電極アッセンブリ19に供給され、燃料電池セル2の発電に利用される。発電に利用されなかったアノードガス(アノードオフガス)は、図4(イ)に示すアノードガス流路26から、アノードガス排出マニホールド孔30bを介して、図2に示すアノードガス排出マニホールド18bを通過し、図1に示す分配器10のアノードガス排出口12bから燃料電池積層体1外へ排出される。
Next, the flow of the reaction gas in the fuel cell stack will be described. During power generation of the fuel cell stack, anode gas (for example, hydrogen gas) is supplied from the outside of the
一方、カソードガス(例えば、空気)も同様に、図1に示す燃料電池積層体1の外部から分配器10のカソードガス供給口14aを介して、カソードガス供給マニホールド(不図示)を通り、各燃料電池セル2に供給される。燃料電池セル2に供給されたカソードガスは、図4(ロ)に示すカソードガス供給マニホールド孔32aからカソードガス流路28へ供給される。供給されたカソードガスは、図3に示す膜−電極アッセンブリ19に供給され、燃料電池セル2の発電に利用される。発電に利用されなかったカソードガス(カソードオフガス)は、図4(ロ)に示すカソードガス流路28から、カソードガス排出マニホールド孔32bを介してカソードガス排出マニホールド(不図示)を通過し、図1に示す分配器10のカソードガス排出口14bから燃料電池積層体1外へ排出される。
On the other hand, the cathode gas (for example, air) also passes through the cathode gas supply manifold (not shown) from the outside of the
次に、燃料電池セルの発電時に生じる水分の流れについて説明する。燃料電池セルの発電時に生成した水分は、例えば、図4(イ),(ロ)に示すアノードガス流路26及びカソードガス流路28に排水される。アノードガス流路26及びカソードガス流路28に排水された水分は、アノードガス排出マニホールド孔30b、カソードガス排出マニホールド孔32bから、図2に示すアノードガス排出マニホールド18b、カソードガス排出マニホールド(不図示)を通り、図1に示すアノードガス排出口12b、カソードガス排出口14bから燃料電池積層体1外に排水される。また、発電時に生成した水分は、必ずしも排出側のマニホールドだけでなく、供給側のマニホールド(例えば、図2に示すアノードガス供給マニホールド18a等)からも排水される。
Next, the flow of moisture generated during power generation of the fuel battery cell will be described. The water generated at the time of power generation of the fuel cell is drained into, for example, the
上記でも説明したように本実施形態では、反応ガス供給マニホールド及び反応ガス排出マニホールドのうち少なくともいずれか1つが傾斜しているものであればよく、傾斜方向は特に制限されるものではない。しかし、反応ガス供給マニホールド及び反応ガス排出マニホールドに滞留する水分が、反応ガス供給マニホールド及び反応ガス排出マニホールドを通過する反応ガスに押し出され、排水性を向上させることができる点で、反応ガス供給マニホールド及び反応ガス排出マニホールドを通過する反応ガスの進行方向に向かって下方向に傾斜していることが好ましい。 As described above, in the present embodiment, it is sufficient that at least one of the reaction gas supply manifold and the reaction gas discharge manifold is inclined, and the inclination direction is not particularly limited. However, the water remaining in the reaction gas supply manifold and the reaction gas discharge manifold is pushed out to the reaction gas passing through the reaction gas supply manifold and the reaction gas discharge manifold, and the drainage performance can be improved. And it is preferable that it inclines below toward the advancing direction of the reactive gas which passes a reactive gas discharge manifold.
次に、隣接する燃料電池用セパレータの回転方向、回転角度等について説明する。反応ガス供給マニホールド、反応ガス排出マニホールドのうち少なくともいずれか一方が、傾斜していればよいため、所定の回転方向にずらす燃料電池用セパレータ(アノード極セパレータ20、カソード極セパレータ22)の回転方向は、燃料電池用セパレータの面上を回転軸として回転する方向であれば、特に限定されるものではない。しかし、燃料電池積層体1の体格が大きくなることを抑えることができる点で、回転軸は、燃料電池用セパレータの中心点(重心点)あることが好ましい。また、所定の回転方向にずらす角度(回転角度)は、反応ガス供給マニホールド孔(図4に示すアノードガス供給マニホールド孔30a、カソードガス供給マニホールド孔32a)、反応ガス排出マニホールド孔(図4に示すアノードガス排出マニホールド孔30b、カソードガス排出マニホールド孔32b)の少なくとも一部が連通して反応ガス供給マニホールド、反応ガス排出マニホールドを形成していれば、特に制限されるものではない。しかし、反応ガス供給マニホールド、反応ガス排出マニホールド内に滞留する水分の排水性を向上させることができる点で、隣接する燃料電池用セパレータ間で、回転角度が0.001°〜5°の範囲とするか、又は燃料電池積層体全体の回転角度、すなわち両端部の燃料電池用セパレータ間で、回転角度が、0.001°〜180°の範囲とすることが好ましい。
Next, the rotation direction, rotation angle, and the like of adjacent fuel cell separators will be described. Since at least one of the reaction gas supply manifold and the reaction gas discharge manifold only needs to be inclined, the rotation direction of the fuel cell separator (
燃料電池用セパレータの形状は、円形、多角形等特に限定されるものではないが、上記所定の回転方向にずらす際の燃料電池用セパレータの位置決め等の点から、燃料電池用セパレータは、積層方向から見たときに多角形であることが好ましく、回転角度と一致する正多角形(例えば、回転角度が1度である場合、正360角形)であることがより好ましい。また、燃料電池用セパレータの体格が大きくなることを抑える点で、燃料電池用セパレータは、積層方向から見たときに円形であることが好ましく、積層方向から見たときに正円形であることがより好ましい。 The shape of the fuel cell separator is not particularly limited, such as a circular shape or a polygonal shape. However, in terms of positioning of the fuel cell separator when shifting in the predetermined rotation direction, the fuel cell separator is arranged in the stacking direction. When viewed from the perspective, it is preferably a polygon, and more preferably a regular polygon that matches the rotation angle (for example, a regular 360-gon when the rotation angle is 1 degree). In addition, the fuel cell separator is preferably circular when viewed from the stacking direction, and may be round when viewed from the stacking direction, in order to prevent the size of the fuel cell separator from increasing. More preferred.
また、積層方向から見たときの形状が正円形等である燃料電池用セパレータの厚み方向の形状は、すり鉢状、板状等があるが、燃料電池用セパレータの体格が大きくなることをより効果的に抑える点で、板状であることがより好ましい。 In addition, the shape in the thickness direction of the fuel cell separator whose shape when viewed from the stacking direction is a regular circle, etc., includes a mortar shape, a plate shape, etc., but the physique of the fuel cell separator is more effective. It is more preferable that it is plate-like in that it is suppressed.
図6(イ)は、本実施形態に用いられるアノード極セパレータの他の構成の一例を示す模式上面図であり、図6(ロ)は、本実施形態に用いられるカソード極セパレータの他の構成の一例を示す模式上面図である。図6(イ),(ロ)に示すように、アノード極セパレータ20及びカソード極セパレータ22のアノードガス供給マニホールド孔30a、カソードガス供給マニホールド孔32a、アノードガス排出マニホールド孔30b、カソードガス排出マニホールド孔32bの形状は、円形であることが好ましい。
FIG. 6 (a) is a schematic top view showing an example of another configuration of the anode electrode separator used in this embodiment, and FIG. 6 (b) shows another configuration of the cathode electrode separator used in this embodiment. It is a schematic top view which shows an example. 6A and 6B, the anode gas
図7(イ)は、本実施形態に用いられるアノード極セパレータの他の構成の一例を示す模式上面図であり、図7(ロ)は、本実施形態に用いられるカソード極セパレータの他の構成の一例を示す模式上面図である。図7(イ),(ロ)に示すように、アノード極セパレータ20及びカソード極セパレータ22のアノードガス流路26、カソードガス流路28は、アノード極セパレータ20及びカソード極セパレータ22の位置を所定の回転方向にずらしても、アノード極セパレータ20及びカソード極セパレータ22のアノードガス流路26、カソードガス流路28の重なる面積が多く、発電時等に掛かる燃料電池用セパレータの面圧を均一にさせることができる点で、円形であることが好ましい。
FIG. 7 (a) is a schematic top view showing an example of another configuration of the anode electrode separator used in the present embodiment, and FIG. 7 (b) shows another configuration of the cathode electrode separator used in the embodiment. It is a schematic top view which shows an example. As shown in FIGS. 7A and 7B, the anode
また、本実施形態では、アノード極セパレータ20及びカソード極セパレータ22の位置を所定の回転方向にずらしても、アノードガス供給マニホールド孔30a、カソードガス供給マニホールド孔32a、アノードガス排出マニホールド孔30b、カソードガス排出マニホールド孔32b周りのシール部(図3に示すシール部25等)は、隣接するアノード極セパレータ20及びカソード極セパレータ22同士間で重なることが好ましい。これにより、発電時等に掛かる燃料電池用セパレータの面圧を均一にさせることができる。
In this embodiment, even if the positions of the
上記でも説明したように本実施形態では、反応ガス供給マニホールド及び反応ガス排出マニホールドのうち少なくともいずれか1つが傾斜しているものであればよいが、発電時に生成した水分は、反応ガスが排出される反応ガス排出マニホールドに滞留し易いため、反応ガス排出マニホールドが傾斜していることが好ましい。 As described above, in the present embodiment, it is sufficient that at least one of the reaction gas supply manifold and the reaction gas discharge manifold is inclined, but the moisture generated during power generation is discharged from the reaction gas. It is preferable that the reaction gas discharge manifold is inclined.
さらに、発電に利用される反応ガスのうち、カソードガスとして空気が使用される場合、空気は、アノードガス(例えば、水素等)より多く燃料電池積層体に供給する必要があるため、アノードガス排出マニホールドに流れるアノードガスの流速は、カソードガス排出マニホールドに流れるカソードガスの流速より遅い。そのため、アノードガス排出マニホールドの水分は、アノードガスと共に排水され難く、アノードガス排出マニホールドに水分が滞留し易い。したがって、アノードガス排出マニホールドの水分を効率的に排水させることができる点で、アノードガス排出マニホールドが傾斜していることが好ましい。 Further, among the reaction gases used for power generation, when air is used as the cathode gas, the air needs to be supplied to the fuel cell stack more than the anode gas (for example, hydrogen). The flow rate of the anode gas flowing through the manifold is slower than the flow rate of the cathode gas flowing through the cathode gas discharge manifold. Therefore, the moisture in the anode gas discharge manifold is not easily drained together with the anode gas, and the moisture tends to stay in the anode gas discharge manifold. Therefore, it is preferable that the anode gas discharge manifold is inclined in that the water in the anode gas discharge manifold can be drained efficiently.
また、反応ガス供給マニホールド、反応ガス排出マニホールドに滞留する水分は、燃料電池セルの発電時に生成する水分に限られない。例えば、低温環境下では、反応ガス供給マニホールド、反応ガス排出マニホールド内で結露が生じ、結露水が滞留する場合がある。低温環境下で発生する結露水等を排水する点で、反応ガス供給マニホールド、反応ガス排出マニホールドが反応ガスの進行方向に向かって傾斜していることが好ましい。 Further, the moisture remaining in the reaction gas supply manifold and the reaction gas discharge manifold is not limited to the moisture generated during power generation of the fuel cell. For example, in a low temperature environment, condensation may occur in the reaction gas supply manifold and the reaction gas discharge manifold, and the condensed water may stay. It is preferable that the reaction gas supply manifold and the reaction gas discharge manifold are inclined toward the traveling direction of the reaction gas in terms of draining dew condensation water generated in a low temperature environment.
また、燃料電池積層体1を傾斜配置させることによっても、反応ガス供給マニホールド、反応ガス排出マニホールドの水分の排水性を向上させることができる。
Further, the water drainage of the reaction gas supply manifold and the reaction gas discharge manifold can be improved by arranging the
本実施形態に用いられる燃料電池用セパレータ(アノード極セパレータ20、カソード極セパレータ22)は、金属系セパレータ、カーボン系セパレータ等特に制限されるものではない。
The fuel cell separator (
本実施形態に用いられる膜−電極アッセンブリ19を構成する電解質膜(不図示)は、電子伝達性を有さずプロトン伝導性を有するものであれば特に制限されるものではない。例えば、パーフルオロスルホン酸系の樹脂膜、トリフルオロスチレン誘導体の共重合膜、リン酸を含浸させたポリベンズイミダゾール膜、芳香族ポリエーテルケトンスルホン酸膜等が挙げられる。具体的にはナフィオン(登録商標)が挙げられる。
The electrolyte membrane (not shown) constituting the membrane-
また、膜−電極アッセンブリ19を構成するアノード極及びカソード極(不図示)はそれぞれ、触媒層と拡散層とを備える。膜−電極アッセンブリは、上記電解質膜を介して触媒層(アノード極触媒層、カソード極触媒層)、拡散層(アノード極拡散層、カソード極拡散層)の順で挟持される。
Each of the anode and cathode (not shown) constituting the membrane-
拡散層は反応ガスの拡散性が高い材料であれば特に制限されるものではない。例えば、カーボンクロス、カーボンペーパ等の多孔質カーボン材料等が挙げられる。 The diffusion layer is not particularly limited as long as it is a material having a high reaction gas diffusibility. Examples thereof include porous carbon materials such as carbon cloth and carbon paper.
触媒層は、例えば、白金、ルテニウム等の金属触媒を担持したカーボンとパーフルオロスルホン酸系の電解質等とを混合して拡散層、又は電解質膜上に成膜したものである。上記カーボンとしては、例えば、アセチレンブラック、ファーネスブラック、チャンネルブラック、サーマルブラック等のカーボンブラック等が用いられる。 The catalyst layer is, for example, formed by mixing carbon carrying a metal catalyst such as platinum or ruthenium with a perfluorosulfonic acid-based electrolyte or the like on a diffusion layer or an electrolyte membrane. Examples of the carbon include carbon black such as acetylene black, furnace black, channel black, and thermal black.
このように、本実施形態に係る燃料電池積層体は、反応ガス供給マニホールド及び反応ガス排出マニホールドのうち少なくともいずれか一方が傾斜するように、隣接する燃料電池用セパレータを所定の回転方向にずらした位置に配置し積層することによって、反応ガス供給マニホールド又は反応ガス排出マニホールドに水分が滞留することを抑制することができる。 As described above, in the fuel cell stack according to the present embodiment, adjacent fuel cell separators are shifted in a predetermined rotation direction so that at least one of the reaction gas supply manifold and the reaction gas discharge manifold is inclined. By arranging and laminating at the positions, it is possible to suppress moisture from staying in the reaction gas supply manifold or the reaction gas discharge manifold.
上記本実施形態に係る燃料電池セル及び燃料電池積層体は、例えば、携帯電話、携帯用パソコン等のモバイル機器用小型電源、自動車用電源、家庭用電源等として使用することができる。 The fuel cell and the fuel cell laminate according to the present embodiment can be used as, for example, a small power source for mobile devices such as a mobile phone and a portable personal computer, a power source for automobiles, and a household power source.
1,3 燃料電池積層体、2,4 燃料電池セル、10,36 分配器、12a アノードガス供給口、12b アノードガス排出口、14a カソードガス供給口、14b カソードガス排出口、16a 冷却水供給口、16b 冷却水排出口、18a,38a アノードガス供給マニホールド、18b,38b アノードガス排出マニホールド、19 膜−電極アッセンブリ、20 アノード極セパレータ、22カソード極セパレータ、25 シール部、26 アノードガス流路、28 カソードガス流路、30a,42a アノードガス供給マニホールド孔、30b,42b アノードガス排出マニホールド孔、32a,44a カソードガス供給マニホールド孔、32b,44b カソードガス排出マニホールド孔、34a,46a 冷却水供給マニホールド孔、34b,46b 冷却水排出マニホールド孔、40 燃料電池用セパレータ、42 反応ガス流路。
DESCRIPTION OF
Claims (9)
前記反応ガス供給マニホールド及び前記反応ガス排出マニホールドのうち少なくともどちらか一方が傾斜するように、隣接する前記燃料電池用セパレータを所定の回転方向にずらした位置に配置し積層することを特徴とする燃料電池積層体。 A reaction in which the reaction gas supply manifold hole and the reaction gas discharge manifold hole communicate with each other in the stacking direction by stacking a plurality of fuel cells having a fuel cell separator including a reaction gas supply manifold hole and a reaction gas discharge manifold hole. A fuel cell stack having a gas supply manifold and a reaction gas discharge manifold,
The fuel cell is characterized in that adjacent fuel cell separators are arranged and stacked at positions shifted in a predetermined rotation direction so that at least one of the reaction gas supply manifold and the reaction gas discharge manifold is inclined. Battery stack.
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