JP6050158B2 - Fuel cell - Google Patents
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Description
本発明は、燃料電池に関する。 The present invention relates to a fuel cell.
一般に、燃料電池は、膜電極接合体とセパレータとが向かい合って配置され、両者の間に膜電極接合体の表面に沿って反応ガスを供給するための反応ガス流路が形成された構造を有している。セパレータの外縁部には、積層方向に反応ガスを流すマニホールドが形成されており、反応ガス流路とマニホールドの間は接続流路によって接続されている。 In general, a fuel cell has a structure in which a membrane electrode assembly and a separator are arranged to face each other, and a reaction gas flow path for supplying a reaction gas along the surface of the membrane electrode assembly is formed therebetween. doing. A manifold that allows reaction gas to flow in the stacking direction is formed at the outer edge of the separator, and the reaction gas channel and the manifold are connected by a connection channel.
従来、特許文献1によれば、排出側のマニホールドと反応ガス流路とを接続する出口バッファ部、すなわち出口側接続流路に複数の突起部を設けた構成が提案されている。複数の突起部は燃料電池の生成水の集合を防ぐためのもので、この構成によれば、燃料電池の排水性を向上することができる。 Conventionally, Patent Document 1 proposes a configuration in which a plurality of protrusions are provided in an outlet buffer portion that connects a discharge-side manifold and a reactive gas flow channel, that is, an outlet-side connection flow channel. The plurality of projections are for preventing the generated water of the fuel cell from collecting, and according to this configuration, the drainage of the fuel cell can be improved.
燃料電池を氷点下環境で始動させる場合、燃料電池の生成水が、出口側接続流路において凍結することがある。特許文献1に記載された燃料電池でも、生成水が出口側接続路に均一に侵入した場合、突起部によって形作られる全流路が凍結し、出口側接続流路が完全に閉塞する虞があった。 When the fuel cell is started in a sub-freezing environment, the generated water of the fuel cell may freeze in the outlet side connection channel. Even in the fuel cell described in Patent Document 1, when the generated water uniformly enters the outlet side connection path, there is a possibility that the entire flow path formed by the protrusions freezes and the outlet side connection path is completely blocked. It was.
また、膜電極接合体とセパレータとを含む単セルを複数積層する際に、ガスケットによってシールがなされるが、前記突起部によるシールラインへの面圧についての配慮がなされていないために、シールが不完全となることがあった。そのほか、冷間時の始動性、低コスト化、省資源化、高品質化、製造の容易化等が望まれていた。 In addition, when a plurality of unit cells including a membrane electrode assembly and a separator are stacked, sealing is performed by a gasket, but since no consideration is given to the surface pressure applied to the seal line by the protruding portion, the sealing is not performed. Sometimes it was incomplete. In addition, cold startability, cost reduction, resource saving, high quality, and easy manufacturing have been desired.
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。 SUMMARY An advantage of some aspects of the invention is to solve at least a part of the problems described above, and the invention can be implemented as the following forms.
(1)本発明の一形態は、燃料電池である。この燃料電池は、膜電極接合体とセパレータとが向かい合って配置され、両者の間に前記膜電極接合体の表面に沿って反応ガスを供給するための反応ガス流路が形成されている。そして、前記セパレータに;当該セパレータの表面に交差する方向に前記反応ガスを流して、前記反応ガスの排出を行う排出マニホールドと;前記反応ガス流路と前記排出マニホールドとの間に位置し、前記反応ガス流路から排出された前記反応ガスを前記排出マニホールドに流す出口側接続流路と;が設けられている。さらに、前記出口側接続流路は;第1の流路幅を有する幅広流路と;前記第1の流路幅よりも狭い第2の流路幅を有する幅狭流路と;前記第1の流路幅以下であり、かつ、前記第2の流路幅以上である流路幅を有し、前記幅広流路と前記幅狭流路との間を連結する連結流路と、を含む。 (1) One embodiment of the present invention is a fuel cell. In this fuel cell, a membrane electrode assembly and a separator are arranged to face each other, and a reaction gas flow path for supplying a reaction gas along the surface of the membrane electrode assembly is formed between them. And a discharge manifold that discharges the reaction gas by flowing the reaction gas in a direction intersecting the surface of the separator; located between the reaction gas flow path and the discharge manifold; And an outlet-side connection flow channel for flowing the reaction gas discharged from the reaction gas flow channel to the discharge manifold. Further, the outlet-side connection flow path includes: a wide flow path having a first flow path width; a narrow flow path having a second flow path width narrower than the first flow path width; And a connecting channel that has a channel width that is equal to or greater than the second channel width and that connects the wide channel and the narrow channel. .
この形態の燃料電池によれば、幅広流路から連結流路、幅狭流路へと、毛細管現象によって生成水が誘導される。このために、連結流路および幅狭流路は生成水の滞留部となって、幅広流路には生成水が残存することがない。したがって、氷点下始動時において、少なくとも幅広流路は凍結による閉塞を免れることができる。この結果、氷点下始動時において、出口側接続流路が完全に閉塞することがなく、発電を継続させることができる。 According to the fuel cell of this embodiment, the generated water is induced by the capillary phenomenon from the wide channel to the connection channel and the narrow channel. For this reason, the connection flow channel and the narrow flow channel become a retention portion of the generated water, and the generated water does not remain in the wide flow channel. Therefore, at the time of starting below the freezing point, at least the wide channel can be prevented from being blocked by freezing. As a result, at the time of starting below freezing, the outlet-side connection channel is not completely blocked, and power generation can be continued.
(2)前記形態の燃料電池において、前記セパレータに、前記幅広流路と前記幅狭流路とを形作る複数種類の凸状部が設けられ;前記複数種類の凸状部のうちの一種類は、前記反応ガスの流れ方向に沿って連続した長尺凸状部であり;前記複数種類の凸状部のうちの他の一種類は、前記反応ガスの流れ方向の長さが前記長尺突状部材よりも短い凸状部であって、前記反応ガスの流れ方向に沿って間隙を空けて複数並ぶことで、前記連結流路を形作る短尺凸状部である構成としてもよい。この形態の燃料電池によれば、幅広流路、幅狭流路、および連結流路の作成が容易であり、しかも、反応ガスが流れ易い。 (2) In the fuel cell of the above aspect, the separator is provided with a plurality of types of convex portions that form the wide channel and the narrow channel; one type of the plurality of types of convex portions is A long convex portion that is continuous along the flow direction of the reaction gas; and another type of the plurality of types of convex portions has a length in the flow direction of the reaction gas that is the long protrusion. It is good also as a structure which is a convex part shorter than a cylindrical member, Comprising: A short convex part which forms the said connection flow path by arranging two or more along the gap in the flow direction of the said reaction gas. According to the fuel cell of this embodiment, it is easy to create a wide flow channel, a narrow flow channel, and a connection flow channel, and the reactive gas easily flows.
(3)前記形態の燃料電池において、前記長尺凸状部は、長手方向の一端が前記排出マニホールドの縁を越える構成としてもよい。この形態の燃料電池によれば、長尺凸状部によって、氷結が隣接する流路に拡がることを防止することができることから、凍結による閉塞をより免れることができる。 (3) In the fuel cell of the above aspect, the long convex portion may have a configuration in which one end in the longitudinal direction exceeds the edge of the discharge manifold. According to the fuel cell of this embodiment, the long convex portion can prevent icing from spreading to the adjacent flow path, so that the blockage due to freezing can be further avoided.
(4)前記形態の燃料電池において、前記長尺凸状部は、長手方向の他端が前記膜電極接合体の占める領域に達する構成としてもよい。この形態の燃料電池によれば、凍結による閉塞をより免れることができる。 (4) In the fuel cell of the above aspect, the long convex portion may have a configuration in which the other end in the longitudinal direction reaches a region occupied by the membrane electrode assembly. According to this type of fuel cell, it is possible to further avoid blockage due to freezing.
(5)前記形態の燃料電池において、前記セパレータに当接されることで前記反応ガスまたは冷却媒体の漏洩を抑制するためのシールラインを形成するシール部材を備え、前記セパレータの厚さ方向からの平面視において、前記連結流路は、前記シールラインと重ならないように配置される構成としてもよい。この形態の燃料電池によれば、積層時におけるシール面圧を確実に確保することができる。 (5) The fuel cell according to the above aspect includes a seal member that forms a seal line for suppressing leakage of the reaction gas or the cooling medium by being in contact with the separator, from the thickness direction of the separator. In the plan view, the connection channel may be arranged so as not to overlap the seal line. According to the fuel cell of this embodiment, it is possible to reliably ensure the seal surface pressure at the time of stacking.
(6)前記形態の燃料電池において、前記短尺凸状部は、前記反応ガスの流れ方向の長さを縦幅とし、前記流れ方向に垂直な方向の長さを横幅としたときに、前記横幅に対する縦幅の比が1.05から5.0までの範囲内である構成としてもよい。この形態の燃料電池によれば、短尺凸状部の大きさを適切とすることができ、さらに、シールラインによるシール面圧の確保がより容易となる。 (6) In the fuel cell of the above aspect, when the length in the flow direction of the reaction gas is a vertical width and the length in a direction perpendicular to the flow direction is a horizontal width, The ratio of the vertical width to the width may be in the range of 1.05 to 5.0. According to the fuel cell of this aspect, the size of the short convex portion can be made appropriate, and further, it is easier to secure the seal surface pressure by the seal line.
本発明の他の形態によれば、他の燃料電池が提供される。この燃料電池は、膜電極接合体とセパレータとが向かい合って配置され、両者の間に前記膜電極接合体の表面に沿って反応ガスを供給するための反応ガス流路が形成されている。そして、前記セパレータに;当該セパレータの表面に交差する方向に前記反応ガスを流して、前記反応ガスの排出を行う排出マニホールドと;前記反応ガス流路と前記排出マニホールドとの間に位置し、前記反応ガス流路から排出された前記反応ガスを前記排出マニホールドに流す出口側接続流路と;が設けられ、前記出口側接続流路は;第1の流路幅を有する幅広流路と;前記第1の流路幅よりも狭い第2の流路幅を有する幅狭流路と、を含む。この構成の燃料電池によれば、幅狭流路は幅広流路よりも狭いことから、閉塞し易いが、幅広流路は閉塞し難い。このために、氷点下始動時において、出口側接続流路が完全に閉塞する虞が少ない。 According to another aspect of the invention, another fuel cell is provided. In this fuel cell, a membrane electrode assembly and a separator are arranged to face each other, and a reaction gas flow path for supplying a reaction gas along the surface of the membrane electrode assembly is formed between them. And a discharge manifold that discharges the reaction gas by flowing the reaction gas in a direction intersecting the surface of the separator; located between the reaction gas flow path and the discharge manifold; An outlet-side connection channel for flowing the reaction gas discharged from the reaction gas channel to the discharge manifold; and the outlet-side connection channel; a wide channel having a first channel width; And a narrow channel having a second channel width that is narrower than the first channel width. According to the fuel cell of this configuration, the narrow flow path is narrower than the wide flow path, so that it is easy to block, but the wide flow path is difficult to block. For this reason, at the time of starting below freezing point, there is little possibility that the outlet side connecting flow path is completely blocked.
本発明は、前記形態の燃料電池以外の種々の形態で実現することも可能である。例えば、前記形態の燃料電池を備える燃料電池システム等の形態で実現することができる。 The present invention can be realized in various forms other than the fuel cell of the above-described form. For example, it is realizable with forms, such as a fuel cell system provided with the fuel cell of the above-mentioned form.
次に、本発明の実施形態を説明する。
A.第1実施形態:
A−1.燃料電池の全体構成:
図1は、燃料電池内部の単セル10を分解して示す説明図である。この燃料電池は、固体高分子型燃料電池であって、図1に示す単セル10を複数積層して直列に接続したスタック構造を有している。
Next, an embodiment of the present invention will be described.
A. First embodiment:
A-1. Overall configuration of the fuel cell:
FIG. 1 is an exploded view showing a
図1に示すように、単セル10は、発電体100と、第1のセパレータ300と、第2のセパレータ400と、を備える。発電体100は、膜電極接合体(MEA:Membrane-Electrode Assembly)110と、MEA110の両面を挟むように配置された一対のガス拡散層120,130とを備え、発電領域を形成する。
As shown in FIG. 1, the
MEA110は、電解質膜112と、電解質膜112の両面を挟むように配置された一対の触媒電極層114,116とを備える。電解質膜112は、固体高分子材料としてのフッ素系スルホン酸ポリマーにより形成された高分子電解質膜であり、湿潤状態において良好なプロトン伝導性を有する。電解質膜112としては、フッ素系スルホン酸膜の他に、フッ素系ホスホン酸膜、フッ素系カルボン酸膜等を用いてもよい。アノード、カソードとしての触媒電極層114,116は、例えば、電気化学反応を進行する触媒金属(例えば、白金)を担持した触媒担持担体(例えば、カーボン粒子)と、プロトン伝導性を有する高分子電解質(例えばフッ素系樹脂)を含んで構成されている。触媒担持担体としては、カーボン粒子の他に、例えば、カーボンブラック、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバーなどの炭素材料のほか、炭化ケイ素などに代表される炭素化合物等を用いてもよい。また、触媒金属としては、白金の他に、例えば、白金合金、パラジウム、ロジウム等を使用してもよい。
The
一対のガス拡散層120,130は、電極反応に用いられる反応ガスを電解質膜112の面方向に沿って拡散させる層であり、多孔質のガス拡散層基材により構成されている。ガス拡散層基材としては、例えば、カーボンペーパーやカーボンクロス等のカーボン多孔質体や、金属メッシュや発泡金属等の金属多孔質体を用いることができる。
The pair of
第1のセパレータ300と第2のセパレータ400とは、発電体100とガス閉止・電気絶縁材料210,220(図2)とを両側から挟むように配置されている。
The
図2は、図1に示した単セル10の組み立て状態時におけるA−A線矢視端面図である。ガス閉止・電気絶縁材料210,220は、一対のセパレータ300,400の間、特に一対のセパレータ300,400の間の発電体100の周縁外側に位置することで、セパレータ300,400が短絡することを防止すると共に、単セル10内部を通過する反応ガスや冷却媒体が外部に漏れ出すことを防止する。ガス閉止・電気絶縁材料210,220は、ポリプロピレンにより形成されている。なお、ガス閉止・電気絶縁材料210,220は、フェノール樹脂やエポキシ樹脂などの他の樹脂を用いて形成してもよい。
FIG. 2 is an end view taken along line AA when the
図1に戻って、第1のセパレータ300はMEA110の一方の側であるアノード(ガス拡散層120)側に配置され、第2のセパレータ400は他方の側であるカソード(ガス拡散層130)側に配置されている。
Returning to FIG. 1, the
第1および第2のセパレータ300,400は、ガス遮断性および電子伝導性を有する部材によって構成されており、外形が矩形状である。第1および第2のセパレータ300,400は、例えば、カーボン粒子を圧縮してガス不透過とした緻密質カーボン等のカーボン製部材や、プレス成形したステンレス鋼などの金属部材によって形成されている。
The first and
第1および第2のセパレータ300,400には、それぞれ、マニホールドの一部を構成する貫通孔421,422,431,432,441,442が形成されている。具体的には、貫通孔421は外部から供給されたアノード供給ガス(水素ガス)を流通するためのマニホールドM1の一部を構成し、貫通孔422はアノードオフガスを流通するためのマニホールドM2の一部を構成する。また、貫通孔431は外部から供給されたカソード供給ガス(空気)を流通するためのマニホールドM3の一部を構成し、貫通孔432はカソードオフガスを流通するためのマニホールドM4の一部を構成する。貫通孔441は外部から供給された冷却媒体を流通するためのマニホールドM5の一部を構成し、貫通孔442は排出された冷却媒体を流通するためのマニホールドM6の一部を構成する。
The first and
前述した、発電体100の周縁外側に配置されるガス閉止・電気絶縁材料210,220(図2)は、前述した貫通孔421,422,431,432,441,442にそれぞれ対応した6つの貫通孔(図2:232)を形成しており、貫通孔421〜442と前記6つの貫通孔とを、第1のセパレータ300、発電体100、および第2のセパレータ400の積層方向(以下、単に「積層方向」と呼ぶ)Yに沿って連通することで、積層方向Yに伸びる形状の空気供給用、水素ガス供給用、水素ガス排出用、空気排出用、冷却媒体供給用、冷却媒体排出用の各マニホールドM1〜M6を構成する。なお、積層方向Yは各セパレータ300,400の厚さ方向でもある。本実施形態では、各マニホールドM1〜M6の流体の流れ方向は、積層方向Yに沿った方向としたが、必ずしも積層方向に完全に一致させる必要はなく、セパレータ300,400の表面に交差する方向であればいずれの方向としてもよい。
The gas closing / electrical insulating
図1に示すように、第2のセパレータ400の両面のうちの発電体100と対向する面には、溝流路450ca(図中の裏側で一部だけ記載)が形成されている。溝流路450caは、上記発電体100と対向する面において、第2のセパレータ400の一辺に沿った方向(図中X方向)に延び、折り返す蛇行形状を有する。溝流路450caはマニホールドM3,M4と連通し、マニホールドM3を流れる空気を発電体100のカソードとしてのガス拡散層130に供給すると共に発電体100を流通したカソードオフガスをマニホールドM4に流通させる。溝流路450caとマニホールドM3とは、第2のセパレータ400に形成された入口側接続流路460によって連通している。また、溝流路450caとマニホールドM4とは、第2のセパレータ400に形成された出口側接続流路470によって連通している。第2のセパレータ400の両面のうちの発電体100が位置する側とは反対側の面には、溝流路(図示せず)が形成されている。この溝流路は、マニホールドM5,M6と連通し、冷却媒体が流通する。
As shown in FIG. 1, a groove channel 450 ca (only a part is shown on the back side in the drawing) is formed on the surface of the
第1のセパレータ300の両面のうちの発電体100と対向する面には、溝流路450an(図中の裏側で一部だけ記載)が形成されている。溝流路450anは、上記発電体100と対向する面において、第1のセパレータ300の一辺に沿った方向(図中X方向)に延び、折り返す蛇行形状を有する。溝流路450anはマニホールドM1と連通し、マニホールドM1を流れる水素ガスを発電体100のカソードとしてのガス拡散層120に供給すると共に、発電体100を流通したアノードオフガスをマニホールドM2に流通させる。溝流路450anとマニホールドM1との間は、第1のセパレータ300に形成された入口側接続流路(図示せず)によって連通している。溝流路450anとマニホールドM2との間は、第1のセパレータ300に形成された出口側接続流路(図示せず)によって連通している。第1のセパレータ300の両面のうちの発電体100が位置する側とは反対側の面には、溝流路490(一部だけ記載)が形成されている。溝流路490は、マニホールドM5,M6と連通し、冷却媒体が流通する。
A groove flow path 450an (only a part is shown on the back side in the figure) is formed on the surface of the
さらに、第1のセパレータ300の両面のうちの発電体100が位置する側とは反対側の面には、第1のセパレータ300の外周縁部と、水素ガス用の貫通孔421,422と、空気用の貫通孔431,432をそれぞれ囲うシールラインSLが形成されている。このシールラインSLは、図2に示すガスケット510によって構成されている。ガスケット510は、射出成形により形成されるもので、断面が凸形状を有する。複数の単セル10を積層した際に、隣接する他の単セル10の表面に密着してシールラインSL(図1)となる。シールラインSLは、水素ガス、空気、および冷却媒体の漏洩を抑制するためのものである。シールラインSLによって、第1のセパレータ300と第2のセパレータ400との間に冷却媒体が流れる。シールラインSLを形成するガスケット510が[発明の概要]の欄に記載の「シール部材」に相当する。
Furthermore, the outer peripheral edge of the
本実施形態では、前述した、第1および第2のセパレータ300、400の一辺に沿ったX方向は、積層方向Yに対して垂直である。また、X方向および積層方向Yに対して垂直な図中のZ方向は、第1および第2のセパレータ300、400の他の一辺に沿った方向となっている。このZ方向が鉛直下方になるように、燃料電池は設置されている。
In the present embodiment, the X direction along one side of the first and
A−2.出口側接続流路の構成:
第2のセパレータ400に形成された出口側接続流路470について、次に詳述する。出口側接続流路470は、前述したように、溝流路450caとマニホールドM4との間を接続するものであり、図1の吹出図に示すように、複数の凸状部によって形作られている。複数の凸状部は、2種類有り、2種類のうちの一方は長尺凸状部480Lであり、他方は短尺凸状部480Sである。長尺凸状部480Lの長手方向の長さは、短尺凸状部480Sの長手方向の長さよりも長い。長尺凸状部480Lおよび短尺凸状部480Sは、それらの長手方向が、溝流路450caからのカソードオフガスの流れ方向である前述したX方向に沿うように、それぞれ配置されている。短尺凸状部480Sは、3つ、間隙を空けて方向Xに並んでいる(図2も参照)。1つの長尺凸状部480Lと、3つの短尺凸状部480Sの並びとが、Z方向に互い違いに配置されることで、各流路が形作られる。なお、本実施形態では、長尺凸状部480Lの溝流路450ca側の端部は、溝流路450caと連結してはおらず、また、長尺凸状部480LのマニホールドM4側の端部は、マニホールドM4の縁までも達していない構成となっている。
A-2. Configuration of outlet side connection flow path:
Next, the outlet
本実施形態では、3つの短尺凸状部480Sで、反応ガスの流れ方向に沿った一列を構成していたが、これに換えて、2つ、4つ、5つ等の他の複数で、反応ガスの流れ方向に沿った一列を構成してもよい。この構成によれば、連結流路としての隣接する短尺凸状部の間の隙間を2以外の数にすることができる。
In the present embodiment, the three short
3つの短尺凸状部480Sの並びと、隣り合う2つの長尺凸状部480Lのうちの一方側とによって形作られる流路470Wは、第1の流路幅aを有する。一方、3つの短尺凸状部480Sの並びと、隣り合う2つの長尺凸状部480Lのうちの他方側とによって形作られる流路470Nは、第1の流路幅aよりも狭い第2の流路幅bを有する。以下、流路470Wを幅広流路470Wと呼び、流路470Nを幅狭流路470Nと呼ぶ。
A
さらに、本実施形態では、隣り合う短尺凸状部480S、480Sの間の隙間482の幅(「隙間幅」と呼ぶ)cは、第1の流路幅aよりも短く、かつ、第2の流路幅bよりも長くなっている。すなわち、第1の流路幅a>隙間幅c>第2の流路幅bとなっている。なお、これに換えて、隙間幅cは、第1の流路幅aと同一としてもよいし、第2の流路幅bと同一としてもよい。すなわち、隙間幅cは、第1の流路幅a以下であり、かつ、第2の流路幅b以上であればいずれの長さとしてもよい。なお、隙間482が[発明の概要]の欄に記載の「連結流路」に相当する。
Furthermore, in the present embodiment, the width c (referred to as “gap width”) c between the adjacent short
図3は、カソードオフガス排出用のマニホールドM4を構成する貫通孔432周辺の積層方向Yからの平面視を示す説明図である。図3において実線にて第1のセパレータ300を示し、破線にて第2のセパレータ400を示している。図示するように、積層方向Yからの平面視において、シールラインSLは、短尺凸状部480S、480Sの間の隙間482と重ならないように、シールラインSLと短尺凸状部480S、480Sの位置が定められている。ここで、重なるとは、隙間482の少なくとも一部が、シールラインSLの少なくとも一部と重なることであり、本実施形態では、隙間482がシールラインSLに対して、積層方向Yからの平面視において、全部は勿論のこと、一部分でも重ならないように定められている。
FIG. 3 is an explanatory view showing a plan view from the stacking direction Y around the through
さらに、本実施形態では、短尺凸状部480Sのサイズが次のように規定されている。図1の吹出図に示すように、短尺凸状部480Sについての、反応ガスの流れ方向Xの長さを縦幅L1とし、積層方向Yからの平面視における、前記流れ方向Xに垂直な方向Zの長さを横幅L2とすると、横幅L2に対する縦幅L1の比(L1/L2)が、2.5となっている。この比は、1.05から5.0までの範囲内において、変更してもよい。横幅L2は、本実施形態では、0.2〜2[mm]となっている。こうした構成によって、短尺凸状部480Sの部位にシールラインSLを重ね合わすことが容易となる。
Furthermore, in the present embodiment, the size of the short
なお、第2のセパレータ400に形成された入口側接続流路460についても、前述した出口側接続流路470と同様に、1つの長尺凸状部と、3つの短尺凸状部の並びとが、互い違いに配置されることで、各流路が形作られた構造を有する。また、第1のセパレータ300に形成された入口側接続流路および出口側接続流路についても、前述した出口側接続流路470と同様に、1つの長尺凸状部と、3つの短尺凸状部の並びとが、互い違いに配置されることで、各流路が形作られた構造を有する。
Note that the inlet-side
A−3.効果:
以上のように構成された第1実施形態の燃料電池によれば、出口側接続流路470における幅広流路470Wと幅狭流路470Nとの間が、隣り合う短尺凸状部480S、480Sの間の隙間482によって連結されており、その隙間幅cは、幅広流路470Wの流路幅aよりも短く、幅狭流路470Nの流路幅bよりも長くなっている。このために、幅広流路470Wから隙間482、幅狭流路470Nへと、毛細管現象によって生成水が誘導される。
A-3. effect:
According to the fuel cell of the first embodiment configured as described above, the gap between the
図4は、生成水の誘導の様子を詳細に示す説明図である。生成水Wは、発電体100(で発生するもので、溝流路450caから排出される。図示するように、溝流路450caから流れてきた生成水Wは、一旦、幅広流路470Wに入っても、毛細管現象による毛管力と重力により、隙間482を通って幅狭流路470Nに流れ込む。幅狭流路470Nは、幅広流路470Wよりも狭いことと上記の流れ込みによって閉塞し易い。生成水量が多いか、流速が低い場合には、生成水Wは、幅狭流路470Nか、更に隙間482を含む部位に滞留する。このため、生成水Wは、幅広流路470Wに滞留することはない。すなわち、隙間482および幅狭流路470Nは生成水の滞留部となって、幅広流路470Wには生成水が残存することがない。
FIG. 4 is an explanatory diagram showing in detail how the generated water is guided. The generated water W is generated in the power generation body 100 (and is discharged from the groove channel 450ca. As shown in the drawing, the generated water W flowing from the groove channel 450ca once enters the
氷点下始動時においては、生成水が少なく、流速が低いため、生成水Wは主に幅狭流路470Nに滞留することになる。ここで、何らかの原因で一部の過冷却の生成水が氷結し、氷結核となった場合、核が成長し氷結するのは幅狭流路470Nの部位となるため、氷結が起こっても、幅広流路470Wが閉塞されることはない。したがって、氷点下始動時において、幅広流路470Wは凍結による閉塞が免れる。この結果、第1実施形態の燃料電池によれば、氷点下始動時において、出口側接続流路470が完全に閉塞することがなく、発電を継続させることができる。
At the time of starting below the freezing point, the generated water W mainly stays in the
また、第1実施形態によれば、図3を用いて説明したように、積層方向Yからの平面視において、隣り合う短尺凸状部480S、480Sの間の隙間482は、第1のセパレータ300に設けたシールラインSLと重ならないように配置され、長尺凸状部480Lおよび短尺凸状部480Sが存在する部位にシールラインSLが位置していることから、積層時におけるシール面圧を確実に確保することができる。したがって、燃料電池における流体のシール性を向上することができる。
Further, according to the first embodiment, as described with reference to FIG. 3, the
B.第2実施形態:
図5は、第2実施形態における第2のセパレータ1400に形成された出口側接続流路の周辺を示す説明図である。この図は、出口側接続流路の周辺を積層方向から見たものである。第2実施形態における燃料電池は、第1実施形態における燃料電池と比べて、長尺凸状部1480Lの長手方向の長さが長くなっている点が相違する。短尺凸状部480Sを含めて燃料電池のその他の構成は、第1実施形態における燃料電池の構成と同一であるので、同一の構成要素については、第1実施形態と同一の符合を付し、その説明を省略する。
B. Second embodiment:
FIG. 5 is an explanatory view showing the periphery of the outlet-side connection flow path formed in the
図示するように、長尺凸状部1480Lの長手方向の一方の端部ed1は、発電領域100Xに達し、長尺凸状部1480Lの長手方向の他方の端部ed2はマニホールドM4の縁M4edを超える構成となっている。発電領域100Xは、発電体100のセパレータ400と接する領域、すなわち、積層方向からの平面視におけるMEAの占める領域である。
As shown in the drawing, one end ed1 in the longitudinal direction of the long
なお、第1のセパレータ300に形成された出口側接続流路についても、第2のセパレータ400に形成された前述した出口側接続流路と同様に、長尺凸状部1480Lの長手方向の長さが第1実施形態と比べて長くなっている。
Note that the outlet-side connection flow path formed in the
以上のように構成された第2実施形態の燃料電池によれば、長尺凸状部1480LがマニホールドM4の縁M4edを超えるほど長くなっていることによって、氷結が隣接する流路に拡がることを防止することができる。また、長尺凸状部1480Lは、発電領域100Xに達するほど長くなっていることによっても、氷結が隣接する流路に拡がることを防止することができる。これらのことから、凍結による閉塞をより免れることができる。したがって、氷点下始動時において、出口側接続流路が完全に閉塞することがより確実になく、発電を継続させることができる。
According to the fuel cell of the second embodiment configured as described above, the long
なお、第2実施例の変形形態として、長尺凸状部1480Lの長手方向の一方の端部ed1は発電領域100Xに達しない構成としてもよいし、あるいは、長尺凸状部1480Lの長手方向の他方の端部ed2はマニホールドM4の縁M4edを超えない構成としてもよい。
As a modification of the second embodiment, one end ed1 in the longitudinal direction of the long
C.第3実施形態:
図6は、第3実施形態における第2のセパレータに形成された出口側接続流路の周辺を示す説明図である。前記各第1および第2実施形態では、長尺凸状部と短尺凸状部によって、幅広流路、幅狭流路、および連結流路が形作られるように構成していたが、これに換えて、第3実施形態では、同寸の短尺凸状部2480Sだけで幅広流路2470W、幅狭流路2470N、および連結流路2482が形作られている。短尺凸状部2480Sは、第1実施形態の短尺凸状部480Sと同一である。また、第1実施形態と同様に、連結流路2482の幅cは、第1の流路幅aよりも短く、かつ、第2の流路幅bよりも長くなっている。燃料電池のその他の構成は、第1実施形態の構成と同一である。
C. Third embodiment:
FIG. 6 is an explanatory view showing the periphery of the outlet-side connection flow path formed in the second separator in the third embodiment. In each of the first and second embodiments described above, the wide channel, the narrow channel, and the connection channel are formed by the long convex portion and the short convex portion. In the third embodiment, the
以上のように構成された第3実施形態の燃料電池によっても、第1実施形態と同様に、氷点下始動時において、出口側接続流路が完全に閉塞されることを防止して、発電を継続させることができる。 Even with the fuel cell of the third embodiment configured as described above, as in the first embodiment, the outlet-side connection flow path is prevented from being completely blocked during sub-freezing start and power generation is continued. Can be made.
なお、前記各実施形態およびその変形形態は、凸状部で形成される流路の幅を規定するものであり、凸状部の頂点間の距離(以下、「ピッチ」と呼ぶ)と凸状部の高さとの関係については特に言及してこなかったが、この関係は次のとおりのものである。図7は、第1実施形態におけるピッチと凸状部の高さとの関係を示す説明図である。図7(a)は平面図であり、図1の吹出図と同一である。図7(b)は図7(a)のB−B線矢視図である。図7(b)に示すように、出口側接続流路470において、幅広流路470Wを挟む長尺凸状部480Lの頂点と短尺凸状部480Sの頂点との距離を第1のピッチP1とし、幅狭流路470Nを挟む短尺凸状部480Sの頂点と長尺凸状部480Lの頂点との距離を第2のピッチP2とすると、P1,P2は、共に、凸状部の高さhの0.2〜2.0倍の長さの範囲内となっている。凸状部の高さhは、長尺凸状部480Lと短尺凸状部480Sを形作る波板の両側(図1におけるY方向のプラス側とマイナス側)のうちの一方側の頂点と他方側の頂点との間のY方向における長さである。「0.2〜2.0倍」というのは、0.2倍より大きく、かつ2.0倍より小さいという条件を満たす範囲である。このように、ピッチP1,P2を高さhで規定される範囲に抑えることで、シールにかかる面圧を保持できる。
In addition, each said embodiment and its modification prescribe | regulate the width | variety of the flow path formed with a convex-shaped part, and the distance (henceforth a "pitch") between convex parts and convex-shaped. The relationship with the height of the section has not been mentioned in particular, but this relationship is as follows. FIG. 7 is an explanatory diagram showing the relationship between the pitch and the height of the convex portion in the first embodiment. Fig.7 (a) is a top view and is the same as the blowing figure of FIG. FIG.7 (b) is a BB arrow directional view of Fig.7 (a). As shown in FIG. 7B, in the outlet
なお、こうした凸状部の頂点間のピッチP1,P2と凸状部の高さとの関係は、第1実施形態だけではなく、第2実施形態やそれらの変形形態においても同様な関係を有している。さらに、この関係、すなわち、ピッチをP、高さをhとしたときに、0.2h<P<2.0hとなる関係は、前記各実施形態およびその変形形態以外にも、流路幅が一定である出口側接続流路を有する燃料電池にも適用可能である。 The relationship between the pitches P1, P2 between the vertices of the convex portions and the height of the convex portions has the same relationship not only in the first embodiment, but also in the second embodiment and their modifications. ing. Furthermore, this relationship, that is, when the pitch is P and the height is h, is 0.2h <P <2.0h. The present invention can also be applied to a fuel cell having a constant outlet-side connection flow path.
D.変形形態:
・変形形態1:
前記各実施形態およびその変形形態では、カソード側の溝流路450caおよびアノード側の溝流路450anは蛇行形状としたが、これに換えて、ストレート形状等の他の形状としてもよい。
D. Variations:
・ Modification 1:
In each of the above-described embodiments and variations thereof, the cathode-side groove flow channel 450ca and the anode-side groove flow channel 450an have a meandering shape, but may be replaced with other shapes such as a straight shape.
・変形形態2:
前記各実施形態およびその変形形態では、第1のセパレータに形成された入口側接続流路および出口側接続流路と、第2のセパレータに形成された入口側接続流路および出口側接続流路とが、それぞれ、1つの長尺凸状部と、3つの短尺凸状部の並びとが、互い違いに配置されることで、各流路が形作られた構造としたが、これに換えて、第1および第2のセパレータの両出口側接続流路だけを前記構造としてもよい。また、第1のセパレータに形成された出口側接続流路だけを前記構造としてもよいし、第2のセパレータに形成された出口側接続流路だけを前記構造としてもよい。第2のセパレータに形成された出口側接続流路は、MEAのカソード側であることからアノード側よりも生成水が多いことから、第2のセパレータに形成された出口側接続流路を前記構造とすることが、氷点下始動時の始動性をより高めることができる。
・ Modification 2:
In each of the embodiments and variations thereof, the inlet-side connection flow path and the outlet-side connection flow path formed in the first separator, and the inlet-side connection flow path and the outlet-side connection flow path formed in the second separator. However, each flow path is formed by alternately arranging one long convex portion and an arrangement of three short convex portions, but instead, Only both outlet side connection flow paths of the first and second separators may have the above structure. Further, only the outlet side connection flow path formed in the first separator may have the above structure, or only the outlet side connection flow path formed in the second separator may have the above structure. Since the outlet-side connecting flow path formed in the second separator is on the cathode side of the MEA, the generated water is larger than that on the anode side. Therefore, the outlet-side connecting flow path formed in the second separator has the above structure. Therefore, the startability at the time of starting below freezing can be further improved.
・変形形態3:
前記各実施形態およびその変形形態では、燃料電池に固体高分子型燃料電池を用いたが、リン酸型燃料電池、溶融炭酸塩型燃料電池、固体酸化物形燃料電池等、種々の燃料電池に本発明を適用してもよい。
-Modification 3:
In each of the above-described embodiments and variations thereof, the polymer electrolyte fuel cell is used as the fuel cell, but various fuel cells such as a phosphoric acid fuel cell, a molten carbonate fuel cell, and a solid oxide fuel cell are used. The present invention may be applied.
本発明は、上述の実施形態や実施例、変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、実施例、変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、前述した実施形態および各変形例における構成要素の中の、独立請求項で記載された要素以外の要素は、付加的な要素であり、適宜省略可能である。 The present invention is not limited to the above-described embodiments, examples, and modifications, and can be realized with various configurations without departing from the spirit thereof. For example, the technical features in the embodiments, examples, and modifications corresponding to the technical features in each embodiment described in the summary section of the invention are to solve some or all of the above-described problems, or In order to achieve part or all of the above effects, replacement or combination can be performed as appropriate. Moreover, elements other than the elements described in the independent claims among the constituent elements in the above-described embodiments and modifications are additional elements and can be omitted as appropriate.
10…単セル
100…発電体
110…膜電極接合体(MEA)
112…電解質膜
114…触媒電極層
120…ガス拡散層
130…ガス拡散層
210,220…電気絶縁材料
300…第1のセパレータ
400…第2のセパレータ
421,422…貫通孔
431,432…貫通孔
441,442…貫通孔
450ca…溝流路
450an…溝流路
460…入口側接続流路
470…出口側接続流路
470N…幅狭流路
470W…幅広流路
480L…長尺凸状部
480S…短尺凸状部
482…隙間
490…溝流路
510…ガスケット
1400…第2のセパレータ
1470W…幅広流路
1480L…長尺凸状部
2470…出口側接続流路
2470N…幅狭流路
2470W…幅広流路
2480S…短尺凸状部
DESCRIPTION OF
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記セパレータに、
当該セパレータの表面に交差する方向に前記反応ガスを流して、前記反応ガスの排出を行う排出マニホールドと、
前記反応ガス流路と前記排出マニホールドとの間に位置し、前記反応ガス流路から排出された前記反応ガスを前記排出マニホールドに流す出口側接続流路と、
が設けられ、
前記出口側接続流路は、
第1の流路幅を有する幅広流路と、
前記第1の流路幅よりも狭い第2の流路幅を有する幅狭流路と、
前記第1の流路幅以下であり、かつ、前記第2の流路幅以上である流路幅を有し、前記幅広流路と前記幅狭流路との間を連結する連結流路と、
を含む、燃料電池。 A fuel cell in which a membrane electrode assembly and a separator are arranged to face each other, and a reaction gas flow path for supplying a reaction gas along the surface of the membrane electrode assembly is formed between the two,
In the separator,
A discharge manifold for discharging the reaction gas by flowing the reaction gas in a direction intersecting the surface of the separator;
An outlet-side connection channel that is located between the reaction gas channel and the discharge manifold, and that allows the reaction gas discharged from the reaction gas channel to flow to the discharge manifold;
Is provided,
The outlet-side connection flow path is
A wide channel having a first channel width;
A narrow channel having a second channel width narrower than the first channel width;
A connecting channel that has a channel width that is less than or equal to the first channel width and that is greater than or equal to the second channel width and that connects the wide channel and the narrow channel; ,
Including a fuel cell.
前記セパレータに、前記幅広流路と前記幅狭流路とを形作る複数種類の凸状部が設けられ、
前記複数種類の凸状部のうちの一種類は、前記反応ガスの流れ方向に沿って連続した長尺凸状部であり、
前記複数種類の凸状部のうちの他の一種類は、前記反応ガスの流れ方向の長さが前記長尺凸状部よりも短い凸状部であって、前記反応ガスの流れ方向に沿って間隙を空けて複数並ぶことで、前記連結流路を形作る短尺凸状部である、燃料電池。 The fuel cell according to claim 1,
The separator is provided with a plurality of types of convex portions that form the wide channel and the narrow channel,
One type of the plurality of types of convex portions is a long convex portion that is continuous along the flow direction of the reaction gas,
Another type of the plurality kinds of convex portions has a length in the flow direction of the reaction gas is a said elongate protruding portion by remote short convex portions, the flow direction of the reaction gas A fuel cell, which is a short convex portion that forms the connection flow path by arranging a plurality of lines along a gap.
前記長尺凸状部は、長手方向の一端が前記排出マニホールドの縁を越える構成である、燃料電池。 The fuel cell stack according to 請 Motomeko 2,
The long convex portion is a fuel cell having a configuration in which one end in a longitudinal direction exceeds an edge of the discharge manifold.
前記長尺凸状部は、長手方向の他端が前記膜電極接合体の占める領域に達する構成である、燃料電池。 The fuel cell according to claim 3, wherein
The long convex portion is a fuel cell having a configuration in which the other end in the longitudinal direction reaches a region occupied by the membrane electrode assembly.
前記セパレータに当接されることで前記反応ガスまたは冷却媒体の漏洩を抑制するためのシールラインを形成するシール部材を備え、
前記セパレータの厚さ方向からの平面視において、前記連結流路は、前記シールラインと重ならないように配置される、燃料電池。 A fuel cell according to any one of claims 1 to 4, wherein
A seal member that forms a seal line for suppressing leakage of the reaction gas or the cooling medium by being in contact with the separator;
The fuel cell, wherein the connection channel is disposed so as not to overlap the seal line in a plan view from the thickness direction of the separator.
前記短尺凸状部は、前記反応ガスの流れ方向の長さを縦幅とし、前記流れ方向に垂直な方向の長さを横幅としたときに、前記横幅に対する縦幅の比が1.05から5.0までの範囲内である、燃料電池。 The fuel cell according to claim 2 , wherein
When the length in the flow direction of the reaction gas is defined as the vertical width and the length in the direction perpendicular to the flow direction is defined as the horizontal width, the ratio of the vertical width to the horizontal width is 1.05. A fuel cell in the range up to 5.0.
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