JP5361796B2 - 燃料電池用セパレータ及びそれを備える燃料電池 - Google Patents
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Description
[燃料電池の構成]
図1は、本発明の参考の形態1に係る燃料電池の概略構成を模式的に示す断面図である。直、図1においては、一部を省略している。
図2は、図1に示す燃料電池100のカソードセパレータ(本発明の参考形態1に係る燃料電池用セパレータ)11の概略構成を示す模式図である。
次に、本参考形態1に係る燃料電池100の作用効果について、図1及び図2を参照しながら説明する。
図3は、本発明の参考形態2に係る燃料電池用セパレータの概略構成を示す模式図である。
図4は、本発明の参考形態3に係る燃料電池用セパレータの概略構成を示す模式図である。
図5は、本発明の参考形態4に係る燃料電池用セパレータの概略構成を示す模式図である。
図6は、本発明の参考形態5に係る燃料電池用セパレータの概略構成を示す模式図である。
図7は、本発明の参考形態6に係る燃料電池用セパレータの概略構成を示す模式図である。なお、図7においては、酸化剤ガス供給用マニホールド孔21と酸化剤ガス排出用マニホールド孔22のみを図示し、他のマニホールド孔については図示するのを省略している。
図8は、本発明の参考形態7に係る燃料電池用セパレータの概略構成を示す模式図である。なお、図8においては、酸化剤ガス供給用マニホールド孔21と酸化剤ガス排出用マニホールド孔22のみを図示し、他のマニホールド孔については図示するのを省略している。
図9は、本発明の参考形態8に係る燃料電池用セパレータの概略構成を示す模式図である。
図10は、本発明の参考形態9に係る燃料電池用セパレータの概略構成を示す模式図である。なお、図10においては、酸化剤ガス供給用マニホールド孔21と酸化剤ガス排出用マニホールド孔22のみを図示し、他のマニホールド孔については図示するのを省略している。
図11は、本発明の実施の形態1に係る燃料電池用セパレータの概略構成を示す模式図である。
次に、本実施の形態1に係る燃料電池100の作用効果について、図1及び図11を参照しながら説明する。
図12は、本発明の実施の形態2に係る燃料電池用セパレータの概略構成を示す模式図である。
図13は、本発明の実施の形態3に係る燃料電池用セパレータの概略構成を示す模式図である。
図14は、本発明の実施の形態4に係る燃料電池用セパレータの概略構成を示す模式図である。
図15は、本発明の実施の形態5に係る燃料電池用セパレータの概略構成を示す模式図である。
図16は、本発明の実施の形態6に係る燃料電池用セパレータの概略構成を示す模式図である。なお、図16においては、酸化剤ガス供給用マニホールド孔21と酸化剤ガス排出用マニホールド孔22のみを図示し、他のマニホールド孔については図示するのを省略している。
図17は、本発明の実施の形態7に係る燃料電池用セパレータの概略構成を示す模式図である。なお、図17においては、酸化剤ガス供給用マニホールド孔21と酸化剤ガス排出用マニホールド孔22のみを図示し、他のマニホールド孔については図示するのを省略している。
図18は、本発明の実施の形態8に係る燃料電池用セパレータの概略構成を示す模式図である。
図19は、本発明の実施の形態9に係る燃料電池用セパレータの概略構成を示す模式図である。
図20は、本発明の実施の形態10に係る燃料電池用セパレータの概略構成を示す模式図である。
図21は、本発明の実施の形態11に係る燃料電池用セパレータの概略構成を示す模式図である。なお、図21においては、酸化剤ガス供給用マニホールド孔21と酸化剤ガス排出用マニホールド孔22のみを図示し、他のマニホールド孔については図示するのを省略している。
本発明の実施の形態1に係る燃料電池用セパレータ11を用いた燃料電池100を実施例1とし、図22に示すセパレータ200を用いた燃料電池100を比較例1として、シミュレーション解析によってその効果を検証した。簡便に評価するために電極面のみを解析対象とした。
本発明の参考形態4に係る燃料電池用セパレータ11を用いた燃料電池(単電池)100を実施例2とし、試験例1と同様に、図22に示すセパレータ200を用いた燃料電池100を比較例1として、燃料電池100の起電力(電圧)を測定した。なお、発電条件は、電流密度0.16A/cm2、燃料利用率75%、酸素利用率85%、燃料ガスには水素75%、二酸化炭素25%の混合ガス、酸化剤ガスには空気とし、燃料ガスの露点は65℃、酸化剤ガスの露点は35℃、電池温度を90℃とした。
2a アノード触媒層
2b カソード触媒層
3a アノードガス拡散層
3b カソードガス拡散層
4a アノード
4b カソード
5 MEA(Membrane−Electrode−Assembly:電解質層−電極接合体)
6 ガスケット
9 冷却媒体流路
10 アノードセパレータ
11 カソードセパレータ
21 酸化剤ガス供給用マニホールド孔(反応ガス供給用マニホールド孔)
22 酸化剤ガス排出用マニホールド孔(反応ガス排出用マニホールド孔)
23 燃料ガス供給用マニホールド孔(反応ガス供給用マニホールド孔)
24 燃料ガス排出用マニホールド孔(反応ガス排出用マニホールド孔)
25 冷却媒体供給用マニホールド孔
26 冷却媒体排出用マニホールド孔
31a 第1上流直線部
31b 第1上流ターン部
31c 第2上流直線部
31d 第2上流ターン部
31e 第3上流直線部
31f 第3上流ターン部
31g 第1下流ターン部
31h 第1下流直線部
31i 第2下流ターン部
31j 第2下流直線部
31k 第3下流ターン部
31m 第3下流ターン部
31n 第4下流ターン部
31p 第4下流直線部
33a 第1上流直線部
33b 第1上流ターン部
33c 第2上流直線部
33d 第2上流ターン部
33e 第3上流直線部
33f 第3上流ターン部
33g 第1下流ターン部
33h 第1下流直線部
33i 第2下流ターン部
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33k 第3下流ターン部
33m 第3下流ターン部
33n 第4下流ターン部
33p 第4下流直線部
41 第1の部分
51 第2の部分
52 第3の部分
53 第4の部分
61 連通用流路
62 窪み部
63 突起
64 第1反応ガス混合部
65 第2反応ガス混合部
100 燃料電池
101 中心軸
131 酸化剤ガス流路(第1反応ガス流路、溝)
131a 上流部
131b 中流部
131c 下流部
132 第2酸化剤ガス流路(第2反応ガス流路、溝)
133 第2酸化剤ガス流路(第2反応ガス流路、溝)、第3酸化剤ガス流路(第3反応ガス流路)
134 第2酸化剤ガス流路(第2反応ガス流路)
135 第2酸化剤ガス流路(第2反応ガス流路)
141 第1燃料ガス流路(第1反応ガス流路)
142 第2燃料ガス流路(第2反応ガス流路)
143 第2燃料ガス流路(第2反応ガス流路)
200 セパレータ
201 流体通路
202 流体通路
203 流体通路
211 入口
212 出口
Claims (9)
- 互いに並走しながら、折り返し部分を有し周縁部から内方部分に向かい前記折り返し部分で前記周縁部に向かうように渦巻き状に形成された溝群からなる複数の反応ガス流路を備えた板状の燃料電池用セパレータであって、
前記複数の反応ガス流路のうち最も外側の一対の反応ガス流路の一方が第1反応ガス流路を構成し、その他方が第3反応ガス流路を構成し、
前記セパレータの厚み方向から見て、前記第1反応ガス流路における前記折り返し部分よりも下流の部分で、最も上流端に近接する部分を第1上流側最近接部分と定義し、前記第1反応ガス流路の前記折り返し部分よりも上流の部分で、最も下流端に近接する部分を第1下流側最近接部分と定義し、
前記セパレータの厚み方向から見て、前記第3反応ガス流路における前記折り返し部分よりも下流の部分で、最も上流端に近接する部分を第3上流側最近接部分と定義し、前記第3反応ガス流路の前記折り返し部分よりも上流の部分で、最も下流端に近接する部分を第3下流側最近接部分と定義した場合に、
前記第1反応ガス流路は、前記セパレータの厚み方向から見て、その上流端と前記第1上流側最近接部分との間に、他の反応ガス流路が介在しないように構成されていて、
前記第3反応ガス流路は、前記セパレータの厚み方向から見て、その下流端と前記第3下流側最近接部分との間に、他の反応ガス流路が介在しないように構成されていて、
隣接する前記溝間に形成される複数のリブのうち、前記第1反応ガス流路を構成する溝のみによって形成されるリブ又は前記第3反応ガス流路のみによって形成されるリブの少なくとも何れか一方のリブ(以下、特定リブ)の幅が該特定リブ以外の何れかのリブの幅よりも広く形成されている、燃料電池用セパレータ。 - 前記特定リブは、前記第1反応ガス流路を構成する溝のみによって形成される第1リブである、請求項1に記載の燃料電池用セパレータ。
- 前記特定リブは、前記第3反応ガス流路を構成する溝のみによって形成される第2リブである、請求項1に記載の燃料電池用セパレータ。
- 前記特定リブは、前記第1反応ガス流路を構成する溝のみによって形成される第1リブ及び前記第3反応ガス流路を構成する溝のみによって形成される第2リブで構成されている、請求項1に記載の燃料電池用セパレータ。
- 前記第1リブは、前記第1反応ガス流路の前記上流端から前記第1上流側最近接部分までの部分の幅が、それ以外の部分の幅よりも広く形成されている、請求項2又は4に記載の燃料電池用セパレータ。
- 前記第2リブは、前記第3反応ガス流路の前記第3下流側最近接部分から前記下流端までの部分の幅が、それ以外の部分の幅よりも広く形成されている、請求項3又は4に記載の燃料電池用セパレータ。
- 前記第1反応ガス流路における前記上流端と前記第1上流側最近接部分との間にその底面に複数の突起が立設された窪みからなる第1反応ガス混合部が形成されており、
前記第1反応ガス混合部は、該第1反応ガス混合部より上流側の前記第1反応ガス流路及び該第1反応ガス流路以外の前記複数の反応ガス流路のうち少なくとも1の前記反応ガス流路を通流する前記反応ガスを合流させ、合流させた後の前記反応ガスを該第1反応ガス混合部より下流側の前記第1反応ガス流路及び該第1反応ガス流路以外の前記複数の反応ガス流路のうち少なくとも1の前記反応ガス流路に分流させ、
前記第1反応ガス混合部より上流側に設けられた前記反応ガス流路の数は、前記第1反応ガス混合部より下流側に設けられた前記反応ガス流路の数よりも少ない、請求項2又は4に記載の燃料電池用セパレータ。 - 前記第3反応ガス流路における前記第3下流側最近接部分と前記下流端の間にその底面に複数の突起が立設された窪みからなる第2反応ガス混合部が形成されており、
前記第2反応ガス混合部は、該第2反応ガス混合部より上流側の前記第3反応ガス流路及び該第3反応ガス流路以外の前記複数の反応ガス流路のうち少なくとも1の前記反応ガス流路を通流する前記反応ガスを合流させ、合流させた後の前記反応ガスを該第2反応ガス混合部より下流側の前記第3反応ガス流路及び該第1反応ガス流路以外の前記複数の反応ガス流路のうち少なくとも1の前記反応ガス流路に分流させ、
前記第2反応ガス混合部より上流側に設けられた前記反応ガス流路の数は、前記第2反応ガス混合部より下流側に設けられた前記反応ガス流路の数よりも少ない、請求項3又は4に記載の燃料電池用セパレータ。 - 請求項1に記載の燃料電池用セパレータを含む一対の燃料電池用セパレータと、
電解質層と該電解質層を挟む一対の電極を有する電解質層−電極接合体と、を備え、
前記電解質層−電極接合体は、一対の前記燃料電池用セパレータに挟まれている、燃料電池。
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