JP5876385B2 - Fuel cell - Google Patents
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Description
本発明は、電解質膜・電極構造体とセパレータとが水平方向に沿って積層されるとともに、電極面が重力方向に沿った鉛直姿勢で且つ水平方向に長尺な横長形状を有し、反応ガスを前記電極面の長手方向に沿って流通させる波形状の反応ガス流路が設けられる燃料電池に関する。 In the present invention, an electrolyte membrane / electrode structure and a separator are stacked along a horizontal direction, and an electrode surface has a vertically long shape along a gravitational direction and a horizontally long shape that is long in the horizontal direction. The present invention relates to a fuel cell provided with a wave-shaped reaction gas flow path that circulates along the longitudinal direction of the electrode surface.
例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜の両側に、それぞれアノード電極及びカソード電極を設けた電解質膜・電極構造体(MEA)を、一対のセパレータによって挟持している。燃料電池は、通常、複数積層されて燃料電池スタックを構成するとともに、定置用の他、車載用として燃料電池車両に組み込まれることにより、車載用燃料電池システムとして使用されている。 For example, in a polymer electrolyte fuel cell, an electrolyte membrane / electrode structure (MEA) provided with an anode electrode and a cathode electrode on both sides of an electrolyte membrane made of a polymer ion exchange membrane is sandwiched between a pair of separators. Yes. In general, a plurality of fuel cells are stacked to form a fuel cell stack, and are used as an in-vehicle fuel cell system by being incorporated in a fuel cell vehicle for in-vehicle use as well as for stationary use.
燃料電池では、セパレータの面内に、アノード電極に燃料ガスを流すための燃料ガス流路(以下、反応ガス流路ともいう)と、カソード電極に酸化剤ガスを流すための酸化剤ガス流路(以下、反応ガス流路ともいう)とが設けられている。さらに、発電セル毎又は複数の発電セル毎に、隣接するセパレータ間には、冷却媒体を流すための冷却媒体流路が電極面方向に沿って設けられている。 In a fuel cell, a fuel gas flow path (hereinafter also referred to as a reaction gas flow path) for flowing a fuel gas to the anode electrode and an oxidant gas flow path for flowing an oxidant gas to the cathode electrode in the plane of the separator (Hereinafter also referred to as a reaction gas channel). Further, for each power generation cell or each of the plurality of power generation cells, a cooling medium flow path for flowing a cooling medium is provided along the electrode surface direction between adjacent separators.
この種の燃料電池では、良好なイオン伝導性を確保するために、電解質膜を保湿する必要がある。このため、反応ガスである酸化剤ガス(例えば、空気)や燃料ガス(例えば、水素ガス)を加湿して燃料電池に供給する方式が採用されている。 In this type of fuel cell, it is necessary to moisturize the electrolyte membrane in order to ensure good ion conductivity. For this reason, a method is employed in which an oxidizing gas (for example, air) or a fuel gas (for example, hydrogen gas), which is a reactive gas, is humidified and supplied to the fuel cell.
その際、加湿用の水分が、電解質膜に吸収されずに液状化され、反応ガス流路に滞留する場合がある。一方、燃料電池では、発電反応によりカソード電極に生成水が発生するとともに、アノード電極には、前記生成水が電解質膜を介して逆拡散している。このため、反応ガス流路の重力方向下端側には、重力の作用により水分が凝縮して滞留し易く、凝縮水によるフラッディングが惹起するおそれがある。 At this time, moisture for humidification may be liquefied without being absorbed by the electrolyte membrane and stay in the reaction gas flow path. On the other hand, in the fuel cell, generated water is generated at the cathode electrode by a power generation reaction, and the generated water is back-diffused through the electrolyte membrane in the anode electrode. For this reason, moisture tends to condense and stay on the lower end side in the gravity direction of the reaction gas channel due to the action of gravity, and flooding due to condensed water may occur.
そこで、ガスを効果的に排出しながら、排水も効率よく行うことを目的とする燃料電池として、例えば、特許文献1に開示されている固体高分子型燃料電池が知られている。この燃料電池は、図15に示すように、枠体1を備えており、この枠体1の一方の面側には、セル2とカソード側流路基板3とが嵌め込まれるとともに、前記枠体1の他方の面側には、アノード側流路基板4が嵌め込まれている。
Therefore, for example, a polymer electrolyte fuel cell disclosed in
セル2は、固体高分子電解質2aにカソード2b及びアノード2cを配して構成されている。カソード側流路基板3には、複数のカソード側流路3aが形成される一方、アノード側流路基板4には、複数のアノード側流路4aが形成されている。
The
枠体1の上流部には、一対の水導入マニホールド孔5aと、前記水導入マニホールド孔5aをアノード側流路4aに連通する溝孔5bと、一対の燃料ガス導入マニホールド孔6aと、前記燃料ガス導入マニホールド孔6aを前記アノード側流路4aに連通する溝孔6bとが形成されている。枠体1の下流部には、一対の燃料ガス導出マニホールド孔7aと、前記燃料ガス導出マニホールド孔7aをアノード側流路4aに連通する溝孔7bと、一対の水導出マニホールド孔8aと、前記水導出マニホールド孔8aをアノード側流路4aに連通する溝孔8bとが形成されている。
In the upstream portion of the
そして、アノード側流路4aを通過した未反応の燃料ガスは、溝孔7bから燃料ガス導出マニホールド孔7aを通って燃料電池外に排出されるとともに、前記アノード側流路4aを通過した水は、溝孔8bから水導出マニホールド孔8aを通って燃料電池外に排出されている。
The unreacted fuel gas that has passed through the anode-
しかしながら、上記の特許文献1では、枠体1が燃料ガス流れ方向に沿って相当に長尺化されている。このため、カソード側流路3aが水平に向くように配置されると、燃料電池全体の高さ方向の寸法が大きくなり、前記燃料電池を車両に搭載する場合の搭載スペースが限定されるという問題がある。
However, in the above-mentioned
しかも、カソード側流路3aでは、発電による生成水が発生している。この生成水は、重力方向下方に移動して滞留するおそれがあり、酸化剤ガスの供給不足が惹起されるという問題がある。
Moreover, water generated by power generation is generated in the cathode-
本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単な構成で、電極面内の重力方向下方に滞留し易い生成水を、容易且つ確実に前記電極面から排出することが可能な燃料電池を提供することを目的とする。 The present invention solves this type of problem, and can easily and reliably discharge generated water that tends to stay below the electrode surface in the direction of gravity in the electrode surface with a simple configuration. The purpose is to provide.
本発明は、電解質膜の両側に一対の電極が設けられる電解質膜・電極構造体と金属セパレータとが水平方向に沿って積層されるとともに、電極面が重力方向に沿った鉛直姿勢で且つ水平方向に長尺な横長形状を有し、酸化剤ガス又は燃料ガスである反応ガスを前記電極面の長手方向に沿って流通させる反応ガス流路が、前記金属セパレータの積層方向から見て波形状に設けられる燃料電池に関するものである。 In the present invention, an electrolyte membrane / electrode structure provided with a pair of electrodes on both sides of an electrolyte membrane and a metal separator are laminated in a horizontal direction, and the electrode surface is in a vertical posture along the direction of gravity and in the horizontal direction. to have a long oblong shape, reaction gas channel that is distributed along the longitudinal direction of the electrode surface reaction gas is an oxidant gas or fuel gas, when viewed from the laminate direction of the metal separator wave The present invention relates to a fuel cell provided in a shape .
この燃料電池では、反応ガス流路は、重力方向に配列され、断面が波状である複数の波状流路溝部を有し、重力方向最下方に配置される前記波状流路溝部である下端波状流路溝部は、波形状の重力方向最下部から重力方向下方に延在する排水通路を有し、前記排水通路は、金属セパレータにプレス成形されてなり、且つ、前記下端波状流路溝部よりも流路断面積が小さい。
In this fuel cell, the reactive gas flow path has a plurality of wavy flow channel grooves that are arranged in the direction of gravity and have a wavy cross section , and the lower end wavy flow that is the wavy flow path groove disposed at the lowest position in the gravity direction. the road grooves, have a drainage passage extending from the gravitational direction lowermost corrugated downward in the gravity direction, the drain passage is made is pressed into the metal separator, and the flow than the bottom corrugated flow grooves Road cross-sectional area is small .
また、この燃料電池では、金属セパレータの水平方向一端下部には、反応ガス流路に連通し積層方向に貫通する反応ガス出口連通孔が設けられ、排水通路の下方には、排水用流路が連通するとともに、前記排水用流路は、前記金属セパレータの長手方向に延在して前記反応ガス出口連通孔に連通することが好ましい。
Further, in this fuel cell, a reaction gas outlet communication hole that communicates with the reaction gas channel and penetrates in the stacking direction is provided at the lower end of the metal separator in the horizontal direction, and a drain channel is provided below the drain channel. It is preferable that the drainage flow path extends in the longitudinal direction of the metal separator and communicates with the reaction gas outlet communication hole while communicating.
本発明によれば、水平方向に長尺な電極面に沿って反応ガスが流通されると、反応により水が生成されるとともに、この水は、前記電極面の重力方向下方に滞留し易い。その際、重力方向最下方に配置される反応ガス流路は、波形状の重力方向最下部から重力方向下方に延在する排水通路を有している。 According to the present invention, when the reaction gas flows along the electrode surface that is long in the horizontal direction, water is generated by the reaction, and this water tends to stay below the electrode surface in the direction of gravity. At that time, the reaction gas flow path arranged at the lowermost part in the gravitational direction has a drainage passage extending downward from the lowermost part in the gravitational direction in the gravitational direction.
このため、電極面の重力方向下方に移動した水は、排水通路から電極面の外部に円滑に排出される。これにより、簡単な構成で、電極面内の重力方向下方に滞留し易い生成水を、容易且つ確実に前記電極面から排出することが可能になる。従って、燃料電池は、最適な発電環境を良好に維持することができる。 For this reason, the water which moved below the gravitational direction of the electrode surface is smoothly discharged from the drainage passage to the outside of the electrode surface. Thereby, it becomes possible to discharge | emit easily and reliably from the said electrode surface the produced water which is easy to stay in the gravity direction downward direction in an electrode surface with a simple structure. Therefore, the fuel cell can satisfactorily maintain the optimum power generation environment.
図1〜図3に示すように、本発明の第1の実施形態に係る燃料電池10は、発電ユニット12を備え、複数の前記発電ユニット12が水平方向(矢印A方向)又は鉛直方向(矢印C方向)に沿って互いに積層される。燃料電池10は、例えば、図示しない燃料電池電気自動車に搭載される車載用燃料電池スタックを構成する。
As shown in FIGS. 1 to 3, the
発電ユニット12は、第1金属セパレータ14、第1電解質膜・電極構造体16a、第2金属セパレータ18、第2電解質膜・電極構造体16b及び第3金属セパレータ20を設ける。第1金属セパレータ14、第1電解質膜・電極構造体16a、第2金属セパレータ18、第2電解質膜・電極構造体16b及び第3金属セパレータ20は、水平方向に沿って積層されるとともに、電極面が重力方向に沿った鉛直姿勢で且つ水平方向に長尺な横長形状を有する。
The
第1金属セパレータ14、第2金属セパレータ18及び第3金属セパレータ20は、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、めっき処理鋼板、あるいはその金属表面に防食用の表面処理を施した横長形状の金属板により構成される。第1金属セパレータ14、第2金属セパレータ18及び第3金属セパレータ20は、平面が矩形状を有するとともに、金属製薄板を波形状にプレス加工することにより、断面凹凸形状に成形される。
The
図1に示すように、発電ユニット12の長辺方向(矢印B方向)の一端縁部には、具体的には、第1金属セパレータ14、第2金属セパレータ18及び第3金属セパレータ20の長辺方向の一端縁部には、矢印A方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス入口連通孔22a、及び燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出するための燃料ガス出口連通孔24bが設けられる。
As shown in FIG. 1, specifically, the length of the
発電ユニット12の長辺方向(矢印B方向)の他端縁部には、矢印A方向に互いに連通して、燃料ガスを供給するための燃料ガス入口連通孔24a、及び酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス出口連通孔22bが設けられる。
The other end edge of the
発電ユニット12の短辺方向(矢印C方向)の両端縁部には、酸化剤ガス入口連通孔22a側の一方に、矢印A方向に互いに連通して冷却媒体を供給するための一対の冷却媒体入口連通孔25aが設けられる。発電ユニット12の短辺方向の両端縁部には、燃料ガス入口連通孔24a側の他方に、冷却媒体を排出するための一対の冷却媒体出口連通孔25bが設けられる。
A pair of cooling media for supplying a cooling medium in communication with each other in the direction of arrow A to one end of the
図4に示すように、第1金属セパレータ14の第1電解質膜・電極構造体16aに向かう面14aには、酸化剤ガス入口連通孔22aと酸化剤ガス出口連通孔22bとに連通する第1酸化剤ガス流路26がプレス成形される。
As shown in FIG. 4, the
第1酸化剤ガス流路26は、矢印B方向に延在する複数の波状流路溝部26aを有するとともに、前記第1酸化剤ガス流路26の入口近傍及び出口近傍には、それぞれ複数のエンボスを有する入口エンボス部28a及び出口エンボス部28bが設けられる。
The first oxidant
入口エンボス部28aと酸化剤ガス入口連通孔22aとの間には、ブリッジ部を構成する複数本の入口連結溝30aが形成される一方、出口エンボス部28bと酸化剤ガス出口連通孔22bとの間には、ブリッジ部を構成する複数本の出口連結溝30bが形成される。
A plurality of inlet connection grooves 30a constituting a bridge portion are formed between the inlet embossed
第1酸化剤ガス流路26の重力方向最下方に配置される下端波状流路溝部26aeは、波形状の重力方向最下部から重力方向下方に延在する排水通路32を有する。具体的には、下端波状流路溝部26aeは、上下(矢印C方向)に屈曲部乃至湾曲部を交互に設けて水平方向(矢印B方向)に延在しており、下方の屈曲部乃至湾曲部の中央(最下位置)に排水通路32の上端側が連通する。
The lower end wave-like channel groove portion 26ae disposed at the lowest position in the gravity direction of the first
各排水通路32は、第1金属セパレータ14にプレス成形されており、重力方向下方に延在し、それぞれの下端側が排水用流路34に連通する。排水通路32は、第1酸化剤ガス流路26から生成水のみを排出して酸化剤ガスがバイパスしないように、通路幅及び通路高さを小さく設定することが好ましい。排水通路32は、下端波状流路溝部26aeよりも流路断面積が小さく設定される。
Each
排水用流路34は、水平方向に直線状に延在し、酸化剤ガス出口連通孔22bに連通する。なお、排水用流路34は、酸化剤ガス出口連通孔22b側に向かって重力方向下方に傾斜していてもよい。排水性が向上するからである。また、所定の数毎に間引いて排水通路32を設けてもよい。
The
図1に示すように、第1金属セパレータ14の面14bには、冷却媒体入口連通孔25aと冷却媒体出口連通孔25bとを連通する冷却媒体流路38が形成される。冷却媒体流路38は、第1酸化剤ガス流路26の裏面形状と、後述する第2燃料ガス流路58の裏面形状とが重なり合って形成される。
As shown in FIG. 1, a cooling
図5に示すように、第2金属セパレータ18の第1電解質膜・電極構造体16aに向かう面18aには、燃料ガス入口連通孔24aと燃料ガス出口連通孔24bとを連通する第1燃料ガス流路40がプレス成形される。
As shown in FIG. 5, the first fuel gas that communicates the fuel gas
第1燃料ガス流路40は、矢印B方向に延在する複数の波状流路溝部40aを有する。燃料ガス入口連通孔24aの近傍には、複数の供給孔部42aが形成されるとともに、燃料ガス出口連通孔24bの近傍には、複数の排出孔部42bが形成される。
The first
図6に示すように、第2金属セパレータ18の第2電解質膜・電極構造体16bに向かう面18bには、酸化剤ガス入口連通孔22aと酸化剤ガス出口連通孔22bとを連通する第2酸化剤ガス流路50がプレス成形される。第2酸化剤ガス流路50は、矢印B方向に延在する複数の波状流路溝部50aを有する。酸化剤ガス入口連通孔22aの近傍には、複数本の入口連結溝52aが形成される一方、酸化剤ガス出口連通孔22bの近傍には、複数本の出口連結溝52bが形成される。
As shown in FIG. 6, the
第2酸化剤ガス流路50の重力方向最下方に配置される下端波状流路溝部50aeは、波形状の重力方向最下部から重力方向下方に延在する排水通路54を有する。具体的には、下端波状流路溝部50aeは、上下(矢印C方向)に屈曲部乃至湾曲部を交互に設けて水平方向(矢印B方向)に延在しており、下方の屈曲部乃至湾曲部の中央(最下位置)に排水通路54の上端側が連通する。
The lower end wave-like channel groove portion 50ae disposed at the lowest position in the gravitational direction of the second
各排水通路54は、第2金属セパレータ18にプレス成形されており、重力方向下方に延在し、それぞれの下端側が排水用流路56に連通する。排水通路54は、第2酸化剤ガス流路50から生成水のみを排出して酸化剤ガスがバイパスしないように、通路幅及び通路高さを小さく設定することが好ましい。排水用流路56は、水平方向に直線状に延在し、酸化剤ガス出口連通孔22bに連通する。なお、排水用流路56は、酸化剤ガス出口連通孔22b側に向かって重力方向下方に傾斜していてもよい。排水性が向上するからである。
Each
図7に示すように、第3金属セパレータ20の第2電解質膜・電極構造体16bに向かう面20aには、燃料ガス入口連通孔24aと燃料ガス出口連通孔24bに連通する第2燃料ガス流路58が形成される。第2燃料ガス流路58は、矢印B方向に延在する複数の波状流路溝部58aを有する。
As shown in FIG. 7, the second fuel gas flow communicating with the fuel gas
燃料ガス入口連通孔24aの近傍には、複数の供給孔部60aが形成されるとともに、燃料ガス出口連通孔24bの近傍には、複数の排出孔部60bが形成される。図1に示すように、供給孔部60aは、第2金属セパレータ18の供給孔部42aよりも内側(燃料ガス流路側)に配置される一方、排出孔部60bは、前記第2金属セパレータ18の排出孔部42bよりも内側(燃料ガス流路側)に配置される。
A plurality of
第3金属セパレータ20の面20bには、第2燃料ガス流路58の裏面形状である冷却媒体流路38の一部が形成される。第3金属セパレータ20の面20bには、前記第3金属セパレータ20に隣接する第1金属セパレータ14の面14bが積層されることにより、冷却媒体流路38が一体に設けられる。
A part of the
図1に示すように、第1金属セパレータ14の面14a、14bには、この第1金属セパレータ14の外周端縁部を周回して第1シール部材68が一体成形される。第2金属セパレータ18の面18a、18bには、この第2金属セパレータ18の外周端縁部を周回して第2シール部材70が一体成形されるとともに、第3金属セパレータ20の面20a、20bには、この第3金属セパレータ20の外周端縁部を周回して第3シール部材72が一体成形される。
As shown in FIG. 1, the
第1シール部材68、第2シール部材70及び第3シール部材72としては、例えば、EPDM、NBR、フッ素ゴム、シリコーンゴム、フロロシリコーンゴム、ブチルゴム、天然ゴム、スチレンゴム、クロロプレーン又はアクリルゴム等のシール材、クッション材、あるいはパッキン材等の弾性を有するシール材が用いられる。
Examples of the
図4に示すように、第1シール部材68は、第1金属セパレータ14の面14aにおいて、酸化剤ガス入口連通孔22a及び酸化剤ガス出口連通孔22bと、第1酸化剤ガス流路26との外周を連通する第1凸状シール部68aを有する。第1シール部材68は、図1に示すように、第1金属セパレータ14の面14bにおいて、冷却媒体入口連通孔25a及び冷却媒体出口連通孔25bと冷却媒体流路38との外周を連通する第2凸状シール部68bを有する。
As shown in FIG. 4, the
図5に示すように、第2シール部材70は、第2金属セパレータ18の面18aにおいて、供給孔部42a及び排出孔部42bと、第1燃料ガス流路40とを囲繞してこれらを連通させる第1凸状シール部70aを有する。
As shown in FIG. 5, the
図6に示すように、第2シール部材70は、面18bにおいて、酸化剤ガス入口連通孔22a及び酸化剤ガス出口連通孔22bと、第2酸化剤ガス流路50との外周を連通する第2凸状シール部70bを有する。
As shown in FIG. 6, the
図7に示すように、第3シール部材72は、第3金属セパレータ20の面20aにおいて、供給孔部60a及び排出孔部60bと、第2燃料ガス流路58とを囲繞してこれらを連通する第1凸状シール部72aを有する。
As shown in FIG. 7, the
第3シール部材72は、第3金属セパレータ20の面20bにおいて、冷却媒体入口連通孔25a及び冷却媒体出口連通孔25bと冷却媒体流路38との外周を連通する第2凸状シール部72bを有する。
The
図2及び図3に示すように、第1電解質膜・電極構造体16a及び第2電解質膜・電極構造体16bは、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜74と、前記固体高分子電解質膜74を挟持するカソード電極76及びアノード電極78とを備える。カソード電極76は、アノード電極78及び固体高分子電解質膜74の表面積よりも小さな表面積を有する段差型MEAを構成している。なお、カソード電極76、アノード電極78及び固体高分子電解質膜74は、同一の表面積に設定してもよく、前記アノード電極78は、前記カソード電極76及び固体高分子電解質膜74の表面積よりも小さな表面積を有していてもよい。
As shown in FIGS. 2 and 3, the first electrolyte membrane /
カソード電極76及びアノード電極78は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層(図示せず)と、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が前記ガス拡散層の表面に一様に塗布されて形成される電極触媒層(図示せず)とを有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜74の両面に形成される。
The
第1電解質膜・電極構造体16aは、カソード電極76の終端部外方に位置して固体高分子電解質膜74の外周縁部に第1樹脂枠部材80が、例えば、射出成形等により一体成形される。第2電解質膜・電極構造体16bは、カソード電極76の終端部外方に位置して固体高分子電解質膜74の外周縁部に第2樹脂枠部材82が、例えば、射出成形等により一体成形される。第1樹脂枠部材80及び第2樹脂枠部材82を構成する樹脂材としては、例えば、汎用プラスチックの他、エンジニアリングプラスチックやスーパーエンジニアリングプラスチック等が採用される。
The first electrolyte membrane /
図1に示すように、第1電解質膜・電極構造体16aに設けられる第1樹脂枠部材80のカソード電極76側の面には、酸化剤ガス入口連通孔22aと第1酸化剤ガス流路26の入口側との間に位置して入口バッファ部84aが設けられるとともに、酸化剤ガス出口連通孔22bと前記第1酸化剤ガス流路26の出口側との間に位置して、出口バッファ部84bが設けられる。
As shown in FIG. 1, an oxidant gas
図8に示すように、第1樹脂枠部材80のアノード電極78側の面には、燃料ガス入口連通孔24aと第1燃料ガス流路40との間に位置して入口バッファ部86aが設けられるとともに、燃料ガス出口連通孔24bと前記第1燃料ガス流路40との間に位置して、出口バッファ部86bが設けられる。
As shown in FIG. 8, the surface of the first
図1に示すように、第2電解質膜・電極構造体16bに設けられる第2樹脂枠部材82のカソード電極76側の面には、酸化剤ガス入口連通孔22aと第2酸化剤ガス流路50との間に位置して入口バッファ部88aが設けられるとともに、酸化剤ガス出口連通孔22bと前記第2酸化剤ガス流路50との間に位置して出口バッファ部88bが形成される。
As shown in FIG. 1, the oxidant gas
第2樹脂枠部材82のアノード電極78側の面には、図9に示すように、燃料ガス入口連通孔24aと第2燃料ガス流路58との間に位置して入口バッファ部90aが設けられるとともに、燃料ガス出口連通孔24bと前記第2燃料ガス流路58との間に位置して出口バッファ部90bが設けられる。
On the surface of the second
発電ユニット12同士が互いに積層されることにより、一方の発電ユニット12を構成する第1金属セパレータ14と、他方の発電ユニット12を構成する第3金属セパレータ20との間には、冷却媒体流路38が形成される。
When the
このように構成される燃料電池10の動作について、以下に説明する。
The operation of the
先ず、図1に示すように、酸化剤ガス入口連通孔22aに酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス入口連通孔24aに水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、冷却媒体入口連通孔25aに純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体が供給される。
First, as shown in FIG. 1, an oxidant gas such as an oxygen-containing gas is supplied to the oxidant gas
このため、酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔22aから入口バッファ部84aを通って第1金属セパレータ14の第1酸化剤ガス流路26に供給される。酸化剤ガスは、さらに酸化剤ガス入口連通孔22aから入口バッファ部88aを通って第2金属セパレータ18の第2酸化剤ガス流路50に導入される。
Therefore, the oxidant gas is supplied from the oxidant gas
酸化剤ガスは、図1、図4及び図6に示すように、第1酸化剤ガス流路26に沿って矢印B方向(水平方向)に移動し、第1電解質膜・電極構造体16aのカソード電極76に供給されるとともに、第2酸化剤ガス流路50に沿って矢印B方向に移動し、第2電解質膜・電極構造体16bのカソード電極76に供給される。
As shown in FIGS. 1, 4 and 6, the oxidant gas moves in the direction of arrow B (horizontal direction) along the first oxidant
一方、燃料ガスは、図1及び図8に示すように、燃料ガス入口連通孔24aから供給孔部42aを通って入口バッファ部86aに供給される。燃料ガスは、入口バッファ部86aを通って第2金属セパレータ18の第1燃料ガス流路40に供給される。燃料ガスは、さらに図1及び図9に示すように、燃料ガス入口連通孔24aから供給孔部60aを通って入口バッファ部90aに供給される。燃料ガスは、入口バッファ部90aを通って第3金属セパレータ20の第2燃料ガス流路58に供給される。
On the other hand, as shown in FIGS. 1 and 8, the fuel gas is supplied from the fuel gas
燃料ガスは、図1に示すように、第1燃料ガス流路40に沿って矢印B方向に移動し、第1電解質膜・電極構造体16aのアノード電極78に供給されるとともに、第2燃料ガス流路58に沿って矢印B方向に移動し、第2電解質膜・電極構造体16bのアノード電極78に供給される。
As shown in FIG. 1, the fuel gas moves in the direction of arrow B along the first fuel
従って、第1電解質膜・電極構造体16a及び第2電解質膜・電極構造体16bでは、各カソード電極76に供給される酸化剤ガスと、各アノード電極78に供給される燃料ガスとが、電極触媒層内で電気化学反応により消費されて発電が行われる。
Therefore, in the first electrolyte membrane /
次いで、第1電解質膜・電極構造体16a及び第2電解質膜・電極構造体16bの各カソード電極76に供給されて消費された酸化剤ガスは、出口バッファ部84b、88bから酸化剤ガス出口連通孔22bに排出される(図1参照)。
Next, the oxidant gas supplied to and consumed by the
第1電解質膜・電極構造体16a及び第2電解質膜・電極構造体16bのアノード電極78に供給されて消費された燃料ガスは、出口バッファ部86b、90bから排出孔部42b、60bを通って燃料ガス出口連通孔24bに排出される。
The fuel gas consumed by being supplied to the
一方、左右一対の冷却媒体入口連通孔25aに供給された冷却媒体は、図1に示すように、各冷却媒体入口連通孔25aから冷却媒体流路38に供給される。冷却媒体は、一旦矢印C方向内方に沿って流動した後、矢印B方向に移動して第1電解質膜・電極構造体16a及び第2電解質膜・電極構造体16bを冷却する。この冷却媒体は、矢印C方向外方に移動した後、一対の冷却媒体出口連通孔25bに排出される。
On the other hand, the cooling medium supplied to the pair of left and right cooling medium
上記のように、燃料電池10内の各発電ユニット12が発電されると、発電反応により第1酸化剤ガス流路26及び第2酸化剤ガス流路50に生成水が発生する。例えば、第1酸化剤ガス流路26は、水平方向に長尺に形成されており、生成水は、前記第1酸化剤ガス流路26の途上からカーボンペーパ等を介して重力下方向に移動し、発電面の重力方向下方に滞留し易い。
As described above, when each
この場合、第1の実施形態では、図2及び図4に示すように、第1金属セパレータ14の面14aには、第1酸化剤ガス流路26が設けられている。そして、第1酸化剤ガス流路26の重力方向最下方に配置される下端波状流路溝部26aeは、波形状の重力方向最下部から重力方向下方に延在する排水通路32を有している。具体的には、下端波状流路溝部26aeは、上下(矢印C方向)に屈曲部乃至湾曲部を交互に設けて水平方向(矢印B方向)に延在しており、下方の屈曲部乃至湾曲部の中央(最下位置)に排水通路32の上端側が連通している。
In this case, in the first embodiment, as shown in FIGS. 2 and 4, a first oxidant
このため、第1酸化剤ガス流路26に発生した生成水は、カーボンペーパ等を介して重力方向下方に移動した後、排水通路32から電極面の外部に円滑に排出される。そして、生成水は、排水通路32に連通する排水用流路34に流動し、前記排水用流路34に沿って矢印B方向に移動して酸化剤ガス出口連通孔22bに排出される。
For this reason, the generated water generated in the first
従って、第1酸化剤ガス流路26において、簡単な構成で、電極面内の重力方向下方に滞留し易い生成水を、容易且つ確実に前記電極面から排出することが可能になる。これにより、燃料電池10は、最適な発電環境を良好に維持することができるという効果が得られる。また、第2酸化剤ガス流路50では、上記の第1酸化剤ガス流路26と同様の効果が得られる。
Therefore, in the first oxidant
なお、第1の実施形態では、第1酸化剤ガス流路26及び第2酸化剤ガス流路50に排水通路32及び排水通路54を採用しているが、これに限定されるものではない。例えば、第1燃料ガス流路40及び第2燃料ガス流路58に、同様の排水通路を設けてもよい。
In the first embodiment, the
図10〜図12に示すように、本発明の第2の実施形態に係る燃料電池120は、複数の発電ユニット122を積層して構成される。
As shown in FIGS. 10 to 12, the
発電ユニット122は、第1金属セパレータ14と第2金属セパレータ124との間に、電解質膜・電極構造体16を挟持して構成される。なお、第1の実施形態に係る燃料電池10と同一の構成要素には、同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。また、電解質膜・電極構造体16は、第1の実施形態の第1電解質膜・電極構造体16a又は第2電解質膜・電極構造体16bと同様に構成されている。
The
図13に示すように、第2金属セパレータ124は、電解質膜・電極構造体16側の面124aに、第1燃料ガス流路40が設けられる。第1燃料ガス流路40の重力方向最下方に配置される下端波状流路溝部40aeは、波形状の重力方向最下部から重力方向下方に延在する排水通路126を有する。具体的には、下端波状流路溝部40aeは、上下(矢印C方向)に屈曲部乃至湾曲部を交互に設けて水平方向(矢印B方向)に延在しており、下方の屈曲部乃至湾曲部の中央(最下位置)に排水通路126の上端側が連通する。
As shown in FIG. 13, the
各排水通路126は、第2金属セパレータ124にプレス成形されており、重力方向下方に延在し、それぞれの下端側が排水用流路128に連通する。排水通路126は、第1燃料ガス流路40から生成水のみを排出して燃料ガスがバイパスしないように、通路幅及び通路高さを小さく設定することが好ましい。排水用流路128は、水平方向に直線状に延在し、燃料ガス出口連通孔24bに連通する。なお、排水用流路128は、燃料ガス出口連通孔24b側に向かって重力方向下方に傾斜していてもよい。排水性が向上するからである。第2金属セパレータ124の他方の面124bに、冷却媒体流路38の一部が構成される。
Each
このように構成される第2の実施形態では、第1燃料ガス流路40の重力方向最下方に配置される下端波状流路溝部40aeは、波形状の重力方向最下部から重力方向下方に延在する排水通路126を有している。このため、第1燃料ガス流路40に逆拡散した生成水は、カーボンペーパ等を介して重力方向下方に移動した後、排水通路126から電極面の外部に円滑に排出される。さらに、生成水は、排水通路126に連通する排水用流路128に流動し、前記排水用流路128に沿って矢印B方向に移動して燃料ガス出口連通孔24bに排出される。
In the second embodiment configured as described above, the lower end wavy flow channel groove portion 40ae disposed at the lowermost position in the gravitational direction of the first fuel
従って、第1燃料ガス流路40において、簡単な構成で、電極面内の重力方向下方に滞留し易い生成水を、容易且つ確実に前記電極面から排出することが可能になる等、上記の第1の実施形態と同様の効果が得られる。
Therefore, in the first fuel
図14に示すように、本発明の第3の実施形態に係る燃料電池130は、複数の発電ユニット132を積層して構成される。なお、第1の実施形態に係る燃料電池10と同一の構成要素には、同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。
As shown in FIG. 14, the
発電ユニット132は、第1金属セパレータ14、第1電解質膜・電極構造体16a、第2金属セパレータ134、第2電解質膜・電極構造体16b及び第3金属セパレータ20を設ける。第2金属セパレータ134は、第1燃料ガス流路40に連通する排水通路54aと、第2酸化剤ガス流路50に連通する排水通路54bとを両面に交互に設ける。
The
従って、第1燃料ガス流路40及び第2酸化剤ガス流路50において、簡単な構成で、電極面内の重力方向下方に滞留し易い生成水を、容易且つ確実に前記電極面から排出することが可能になる等、上記の第1及び第2の実施形態と同様の効果が得られる。
Therefore, in the first fuel
10、120、130…燃料電池 12、122、132…発電ユニット
14、18、20、124、134…金属セパレータ
16、16a、16b…電解質膜・電極構造体
22a…酸化剤ガス入口連通孔 22b…酸化剤ガス出口連通孔
24a…燃料ガス入口連通孔 24b…燃料ガス出口連通孔
25a…冷却媒体入口連通孔 25b…冷却媒体出口連通孔
26、50…酸化剤ガス流路
26a、40a、50a、58a…波状流路溝部
26ae、40ae、50ae…下端波状流路溝部
32、54、54a、54b、126…排水通路
34、56、128…排水用流路 38…冷却媒体流路
40、58…燃料ガス流路 68、70、72…シール部材
74…固体高分子電解質膜 76…カソード電極
78…アノード電極 80、82…樹脂枠部材
DESCRIPTION OF
Claims (3)
前記反応ガス流路は、重力方向に配列され、断面が波状である複数の波状流路溝部を有し、
重力方向最下方に配置される前記波状流路溝部である下端波状流路溝部は、前記波形状の重力方向最下部から重力方向下方に延在する排水通路を有し、
前記排水通路は、前記金属セパレータにプレス成形されてなり、且つ、前記下端波状流路溝部よりも流路断面積が小さいことを特徴とする燃料電池。 An electrolyte membrane / electrode structure provided with a pair of electrodes on both sides of the electrolyte membrane and a metal separator are laminated along the horizontal direction, and the electrode surface is vertically oriented along the direction of gravity and elongated in the horizontal direction. It has a horizontally long shape, reaction gas channel that is distributed along the longitudinal direction of the electrode surface reaction gas is an oxidant gas or fuel gas is provided to the waveform shape as viewed from the lamination direction of the metal separator A fuel cell,
The reactive gas flow path has a plurality of wavy flow channel grooves that are arranged in the direction of gravity and have a wavy cross section.
Lower corrugated flow grooves is the wavy passage grooves are arranged in the direction of gravity lowermost, have a water discharge passage extending downward in the gravity direction from the direction of gravity bottom of the wave shape,
The fuel cell according to claim 1, wherein the drainage passage is press-molded in the metal separator and has a channel cross-sectional area smaller than that of the lower-end corrugated channel groove .
前記排水通路の下方には、排水用流路が連通するとともに、
前記排水用流路は、前記金属セパレータの前記長手方向に延在して前記反応ガス出口連通孔に連通することを特徴とする燃料電池。 The fuel cell according to claim 1, wherein a reaction gas outlet communication hole communicating with the reaction gas flow path and penetrating in the stacking direction is provided at a lower end of the metal separator in the horizontal direction,
Under the drainage passage, a drainage channel communicates,
The drainage channel extends in the longitudinal direction of the metal separator and communicates with the reaction gas outlet communication hole.
前記金属セパレータの前記酸化剤ガス流路が設けられる第1面には、第1排水通路が形成される一方、前記金属セパレータの前記燃料ガス流路が設けられる第2面には、第2排水通路が形成され、A first drainage passage is formed on the first surface of the metal separator where the oxidant gas flow path is provided, while a second drainage is formed on the second surface of the metal separator where the fuel gas flow path is provided. A passage is formed,
前記第1排水通路と前記第2排水通路とは、前記第1面と前記第2面とに交互に設けられることを特徴とする燃料電池。The fuel cell according to claim 1, wherein the first drainage passage and the second drainage passage are alternately provided on the first surface and the second surface.
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