JP6747214B2 - Fuel cell, fuel cell gas flow channel structure, and fuel cell separator - Google Patents
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Description
本発明は、定置用(家庭用、産業用)、輸送用または携帯機器用電源として用いられる燃料電池、燃料電池のガス流路構造、及び燃料電池用セパレータに関する。 The present invention relates to a fuel cell used as a power source for stationary (household, industrial), transportation or portable equipment, a gas channel structure of a fuel cell, and a fuel cell separator.
燃料電池のガス流路構造として、対向櫛形流路(IDFF)が提案されている。対向櫛形流路では、下流端が閉塞されたガス供給流路と、上流端が閉塞されたガス排出流路とが、膜電極接合体のガス拡散層の上に互いに間隔をあけて交互に並設されている。特許文献1は、関連する技術を記載している。
As a gas flow channel structure for a fuel cell, an opposed comb flow channel (IDFF) has been proposed. In the facing comb-shaped flow channel, a gas supply flow channel whose downstream end is blocked and a gas discharge flow channel whose upstream end is blocked are alternately arranged on the gas diffusion layer of the membrane electrode assembly at intervals. It is set up.
対向櫛形流路のガス供給流路に供給されたガスは、ガス供給流路からガス拡散層内に潜りこみ、その内部を面方向に通過した後、隣接するガス排出流路に流入する(以下、このガス拡散層内を通過するガスの流れを「クロスフロー」と称する)。対向櫛形流路では、ガス拡散層内における電極触媒層により近い領域に強制対流を生じさせることで、電極触媒層近傍のガスの濃度勾配を高め、ガス拡散性を向上させることができる。このため、対向櫛形流路は、平行流路やサーペンタイン流路と比べ、比較的良好な発電効率を得ることができる。 The gas supplied to the gas supply flow path of the facing comb-shaped flow path digs into the gas diffusion layer from the gas supply flow path, passes through the inside in the surface direction, and then flows into the adjacent gas discharge flow path (hereinafter , The flow of gas passing through the gas diffusion layer is referred to as "cross flow". In the opposed comb-shaped flow path, forced convection is generated in a region closer to the electrode catalyst layer in the gas diffusion layer, so that the concentration gradient of the gas in the vicinity of the electrode catalyst layer can be increased and the gas diffusibility can be improved. Therefore, the opposed comb-shaped channel can obtain relatively good power generation efficiency as compared with the parallel channel and the serpentine channel.
しかしながら、上記ガス供給流路に供給されたガスは、当該ガス供給流路を流下する間(クロスフローとしてガス拡散層に潜りこむ前)にも電気化学反応に供されるため、ガス供給流路から流れ出すクロスフローのガスの濃度は、下流側領域ほど低くなる。このため、対向櫛形流路の下流側領域では、ガス拡散性が相対的に低くなり、これが燃料電池の発電効率の向上を妨げていた。 However, since the gas supplied to the gas supply channel is supplied to the electrochemical reaction while flowing down the gas supply channel (before diving into the gas diffusion layer as a cross flow), the gas supply channel The concentration of the cross-flow gas flowing out from the lower side region becomes lower. For this reason, the gas diffusivity is relatively low in the region on the downstream side of the opposed comb-shaped channel, which hinders the improvement of the power generation efficiency of the fuel cell.
本発明の目的は、対向櫛形流路の下流側領域におけるガス拡散性の低下を抑制し、燃料電池の発電効率を向上させることにある。 An object of the present invention is to suppress a decrease in gas diffusibility in the downstream region of the opposed comb-shaped flow path and improve the power generation efficiency of the fuel cell.
本発明の一態様は、各ガス排出流路の上流端から下流端までの流路抵抗が、当該ガス排出流路に隣接する各ガス供給流路の上流端から下流端までの流路抵抗より大きく、各ガス排出流路の上流端から下流端までの流路長さが、当該ガス排出流路に隣接する各ガス供給流路の上流端から下流端までの流路長さより長い燃料電池のガス流路構造である。
One aspect of the present invention is that the flow path resistance from the upstream end to the downstream end of each gas discharge flow path is more than the flow path resistance from the upstream end to the downstream end of each gas supply flow path adjacent to the gas discharge flow path. the size rather, the flow path length from the upstream end of the gas discharge channel to the downstream end is longer fuel cell than the flow path length from the upstream end of the gas supply channel adjacent to the gas discharge channel to the downstream end It is a gas flow path structure.
上記ガス流路構造によれば、対向櫛形流路の下流側領域におけるガス拡散性の低下を抑制し、燃料電池の発電効率を向上させることができる。 According to the gas flow channel structure described above, it is possible to suppress a decrease in gas diffusibility in the downstream region of the opposed comb-shaped flow channel and improve the power generation efficiency of the fuel cell.
以下、図面を参照しながら、本発明のいくつかの実施形態について説明する。 Hereinafter, some embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
<第1実施形態>
図1及び図2に示すように、第1実施形態に係る燃料電池スタックSは、積層方向Xに積層された複数の燃料電池セル1と、一対の集電プレート2と、一対の絶縁プレート3と、一対のエンドプレート4と、4本のテンションロッド5とを備えている。
<First Embodiment>
As shown in FIGS. 1 and 2, the fuel cell stack S according to the first embodiment has a plurality of
一対の集電プレート2は、複数の燃料電池セル1の積層方向X外側にそれぞれ配置されている。各集電プレート2は、例えば緻密質カーボンなど、ガス不透過性の導電性材料から形成されており、その外周縁には、出力端子2aが形成されている。複数の燃料電池セル1によって発電された電力は、この出力端子2aから取り出される。
The pair of
各集電プレート2の積層方向X外側には、絶縁プレート3がそれぞれ配置されている。絶縁プレート3は、例えばゴムなど、絶縁性の材料から形成されている。各絶縁プレート3の積層方向X外側には、エンドプレート4がそれぞれ配置されている。エンドプレート4は、例えば鋼など、高剛性の材料から形成されている。
An
積層方向X一側(図中右側)のエンドプレート4と絶縁プレート3との間には、積層方向Xの内側から順に、サブエンドプレート6と、例えば皿バネなどの弾性部材7とが配置されている。
A
積層方向X他側(図中左側)のエンドプレート4の長手方向Yの一側端部には、燃料ガス供給ポート4aと、酸化剤ガス供給ポート4bと、冷媒供給ポート4cとが設けられている。一方、長手方向Yの他側端部には、燃料ガス排出ポート4dと、酸化剤ガス排出ポート4eと、冷媒排出ポート4fとが設けられている。燃料ガス供給ポート4aには、例えば水素含有ガスなどの燃料ガスが供給される。酸化剤ガス供給ポート4bには、例えば空気などの酸化剤ガスが供給される。冷媒供給ポート4cには、例えば冷却水が供給される。
A fuel
エンドプレート4の四隅には、複数の燃料電池セル1を積層方向Xに貫通する4つの貫通孔が設けられ、この貫通孔に各テンションロッド5がそれぞれ挿通されている。テンションロッド5のねじ部5aには、ナット5bが螺合して締め付けられており、これにより、エンドプレート4間に配置された複数の燃料電池セル1に対して積層方向Xの圧力が付与されている。テンションロッド5及びナット5bは、例えば鋼など、高剛性の材料から形成されている。テンションロッド5の表面は、燃料電池セル1同士の間、燃料電池セル1と集電プレート2との間など、電位の異なる要素同士の間の短絡を防止するべく、絶縁処理が施されている。
At the four corners of the
各燃料電池セル1(燃料電池)は、図3に示すように、膜電極接合体10と、これを両面から挟持するアノード側のセパレータ11及びカソード側のセパレータ12と、を備えている。
As shown in FIG. 3, each fuel cell 1 (fuel cell) includes a
膜電極接合体10は、電解質膜13と、その両面上に形成されたアノード側の電極触媒層14及びカソード側の電極触媒層14と、各電極触媒層14に隣接して設けられたアノード側のガス拡散層15及びカソード側のガス拡散層15とから構成されている。
The
電解質膜13は、例えばフッ素系樹脂などからなるイオン交換膜であり、湿潤状態において良好なプロトン伝導性を示す。
The
電極触媒層14は、例えば、白金(Pt)、或いはPtと他の金属とから成る合金(例えばコバルトやニッケルを混合したPt合金)をカーボン担体粒子上に担持させた金属触媒、電解質粒子(アイオノマ)及び撥水剤からなる混合層である。電極触媒層14は、電解質膜13上にホットプレス又は直接噴霧することで形成される。
The
ガス拡散層15は、例えば、カーボンクロスやカーボンペーパー等のカーボン多孔質体、或いは金属メッシュや発泡金属などの金属多孔質体からなる、ガス透過性を有する導電性部材である。ガス拡散層15は、そのセパレータ11,12に接する面の略全域において略均一な通気抵抗(透気度)を有している。
The
セパレータ11,12は、例えば、緻密質カーボンやプレス成形した金属板など、ガス不透過性の導電性部材から形成されている。
The
図3に示すように、セパレータ11のガス拡散層15に接する面には、当該ガス拡散層15とともに燃料ガスの流路を画成する溝状の燃料ガス流路20が形成されている。燃料ガス流路20が形成された面と反対側の面には、冷媒の流路となる溝状の冷媒流路30が形成されている。また、セパレータ12のガス拡散層15に接する面には、当該ガス拡散層15とともに酸化剤ガスの流路を画成する溝状の酸化剤ガス流路40が形成されている。なお、冷媒流路30は、セパレータ12の酸化剤ガス流路40が形成された面と反対側の面に形成してもよく、セパレータ11,12の互いに直接対向する面の両方に形成してもよい。
As shown in FIG. 3, a groove-shaped fuel
図4に示すように、セパレータ12の長手方向Yの一側(図中左側)端部には、燃料ガスのガス供給口A1と、酸化剤ガスのガス供給口B1と、冷媒供給口C1とが、セパレータ12の幅方向Zに、この順に並んで設けられている。また、セパレータ12の長手方向Yの他側(図中右側)端部には、燃料ガスのガス排出口A2と、酸化剤ガスのガス排出口B2と、冷媒排出口C2とが、セパレータ12の幅方向Zに、この順に並んで設けられている。なお、図示は省略するが、セパレータ11にも、ガス供給口A1,B1と、冷媒供給口C1と、ガス排出口A2,B2と、冷媒排出口C2とが、セパレータ12のそれらと線対称の配置で設けられている。
As shown in FIG. 4, at one end (left side in the drawing) of the
燃料ガスのガス供給口A1及びガス排出口A2は、それぞれ燃料電池スタックS内において積層方向Xに延在する燃料ガス供給マニホールド及び燃料ガス排出マニホールドを構成している。酸化剤ガスのガス供給口B1及びガス排出口B2は、それぞれ燃料電池スタックS内において積層方向Xに延在する酸化剤ガス供給マニホールド及び酸化剤ガス排出マニホールドを構成している。冷媒供給口C1及び冷媒排出口C2は、それぞれ燃料電池スタックS内において積層方向Xに延在する冷媒供給マニホールド及び冷媒排出マニホールドを構成している。また、燃料ガス供給マニホールド及び燃料ガス排出マニホールドは、それぞれ燃料ガス供給ポート4a及び燃料ガス排出ポート4dに連通している。酸化剤ガス供給マニホールド及び酸化剤ガス排出マニホールドは、それぞれ酸化剤ガス供給ポート4b及び酸化剤ガス排出ポート4eに連通している。冷媒供給マニホールド及び冷媒排出マニホールドは、それぞれ冷媒供給ポート4c及び冷媒排出ポート4fに連通している。
The gas supply port A1 and the gas discharge port A2 of the fuel gas respectively configure a fuel gas supply manifold and a fuel gas discharge manifold extending in the stacking direction X in the fuel cell stack S. The gas supply port B1 and the gas discharge port B2 for the oxidant gas respectively configure an oxidant gas supply manifold and an oxidant gas discharge manifold extending in the stacking direction X in the fuel cell stack S. The coolant supply port C1 and the coolant discharge port C2 respectively form a coolant supply manifold and a coolant discharge manifold extending in the stacking direction X in the fuel cell stack S. Further, the fuel gas supply manifold and the fuel gas discharge manifold communicate with the fuel
燃料ガス供給ポート4aに供給された燃料ガスは、燃料ガス供給マニホールドを通り、各セパレータ12のガス供給口A1から各燃料ガス流路20に分岐して流入し、電気化学反応に供される。その後、燃料ガスは、ガス排出口A2を出て、燃料ガス排出マニホールドに集合し、燃料ガス排出ポート4dを介して、燃料電池スタックSから排出される。
The fuel gas supplied to the fuel
また、酸化剤ガス供給ポート4bに供給された酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給マニホールドを通り、各セパレータ11のガス供給口B1から各酸化剤ガス流路40に分岐して流入し、電気化学反応に供される。その後、酸化剤ガスは、ガス排出口B2を出て、酸化剤ガス排出マニホールドに集合し、酸化剤ガス排出ポート4eを介して、燃料電池スタックSから排出される。
Further, the oxidant gas supplied to the oxidant
さらに、冷媒供給ポート4cに供給された冷媒は、冷媒供給マニホールドを通り、各セパレータ11,12の冷媒供給口C1から各冷媒流路30に分岐して流入し、燃料電池セル1と熱交換を行う。その後、冷媒は、冷媒排出口C2を出て、冷媒排出マニホールドに集合し、冷媒排出ポート4fを介して、燃料電池スタックSから排出される。
Further, the refrigerant supplied to the
なお、図示は省略するが、各燃料電池セル1の外周部には、燃料ガスが流れる領域、酸化剤ガスが流れる領域、及び冷媒が流れる領域をそれぞれシールするためのシール材が設けられている。
Although illustration is omitted, the outer peripheral portion of each
本実施形態に係るガス流路構造について、セパレータ12に形成された酸化剤ガス流路40を例にとって説明する。なお、セパレータ11に形成された燃料ガス流路20は、ガス供給口及びガス排出口A1,A2の位置が酸化剤ガス流路40のガス供給口及びガス排出口B1,B2と異なるが、他の構成は同様であるので、ここでは説明を省略する。
The gas flow channel structure according to this embodiment will be described by taking the oxidant
図4に示すように、酸化剤ガス流路40は、略櫛歯形状のガス供給側流路50と略櫛歯形状のガス排出側流路60とからなる対向櫛形流路(IDFF)を構成している。ガス供給側流路50とガス排出側流路60とは、両流路50,60の溝の間に形成されたリブRによって仕切られて、互いに分離されている。すなわち、セパレータ12のガス拡散層15に接する面において、両流路50,60の領域は重複しておらず、ガス供給側流路50の内部空間とガス排出側流路60の内部空間とは、互いにガス拡散層15を介してのみ連通している。
As shown in FIG. 4, the oxidant
ガス供給側流路50は、ガス供給口B1と、ヘッダ流路51と、複数のガス供給流路52とを備えている。ヘッダ流路51は、ガス供給口B1に連通して、セパレータ12の幅方向Zに延在している。複数のガス供給流路52は、各々、ヘッダ流路51から分岐して、セパレータ12の長手方向Yに略平行に、略直線状に延在している。
The gas supply
ガス排出側流路60は、ガス排出口B2と、ヘッダ流路61と、複数のガス排出流路62とを備えている。ヘッダ流路61は、ガス排出口B2に連通して、セパレータ12の幅方向Zに延在している。複数のガス排出流路62は、各々、ヘッダ流路61から分岐して、セパレータ12の長手方向Yに略平行に、略直線状に延在している。
The gas discharge
ガス供給流路52及びガス排出流路62は、セパレータ12の幅方向Zに互いに間隔をあけて交互に並設されている。ガス供給流路52の上流端52aは、ヘッダ流路51を介してガス供給口B1に連通し、下流端52bは、閉塞されている。一方、ガス排出流路62の上流端62aは、閉塞され、下流端62bは、ヘッダ流路61を介してガス排出口B2に連通している。各ガス供給流路52の上流端52aは、当該ガス供給流路52に隣接するガス排出流路62の上流端62a近傍に位置している。また、各ガス排出流路62の下流端62bは、当該ガス排出流路62に隣接するガス供給流路52の下流端52b近傍に位置している。図4に示すように、ガス供給流路52の上流端52aは、そのガス供給流路52に隣接するガス排出流路62の上流端62a同士を結ぶ直線上に位置している部位として定義してよい。また、ガス排出流路62の下流端62bは、そのガス排出流路62に隣接するガス供給流路52の下流端52b同士を結ぶ直線上に位置している部位として定義してよい。或いは、ガス供給流路52の下流端52bがヘッダ流路61に近接している場合は、ヘッダ流路61からの分岐点をガス排出流路62の下流端62bとしてもよい。また、ガス排出流路62の上流端62aがヘッダ流路51に近接している場合は、ヘッダ流路51からの分岐点をガス供給流路52の上流端52aとしてもよい。
The gas
本明細書では、ガス供給流路52の上流端52aから下流端52bに向かう方向、或いはガス排出流路62の上流端62aから下流端62bに向かう方向を「主流れ方向FD」と称する。本実施形態の対向櫛形流路では、主流れ方向FDは、セパレータ12の長手方向Yに略平行であり、各上流端52a,62aの主流れ方向FDにおける位置は揃っており、各下流端52b,62bの主流れ方向FDにおける位置も揃っている。ガス供給流路52及びガス排出流路62は、各々、主流れ方向FDに沿って直線状に延びているので、各流路52,62の主流れ方向FDにおける流路長さも等しい。
In this specification, the direction from the
酸化剤ガス流路40に流入した酸化剤ガスは、ヘッダ流路51を介して、各ガス供給流路52に分配される。各ガス供給流路52に供給されたガスは、図3に矢印で示すように、ガス供給流路52におけるガスの圧力とガス排出流路62におけるガスの圧力との差(以下、「流路間差圧」と称する)により、ガス拡散層15内に導かれる。ガス拡散層15内に入った酸化剤ガスの一部は、リブR下のガス拡散層15を通過する際に、電極触媒層14に供給され、電気化学反応に寄与する。電気化学反応に寄与した酸化剤ガスは、流路間差圧により強制的にガス排出流路62に押し出され、ヘッダ流路61を介して、ガス排出口B2から排出される。なお、燃料ガス流路20に流入した燃料ガスも、酸化剤ガスと同様に、ガス拡散層15内を強制対流し(図3の矢印参照)、電気化学反応に寄与した後、ガス排出口A2から排出される。
The oxidant gas flowing into the
本実施形態では、各ガス排出流路62の上流端62aから下流端62bまでの流路抵抗は、当該ガス排出流路62に隣接する各ガス供給流路52の上流端52aから下流端52bまでの流路抵抗より大きい。ここで、流路抵抗とは、その流路内を流体が流れるときの流れにくさを表す指標である。所定の流体を所定の条件(温度、圧力、流量など)で流したときに、入口と出口における圧力の差(圧力損失)が大きい流路ほど、流路抵抗は大きい。流路抵抗は、流路の摩擦係数(摩擦損失係数)や損失係数(形状損失係数)などの合計値から評価することができ、また、数値計算や実験を通じて求めることもできる。
In the present embodiment, the flow path resistance from the
具体的には、図4に示すように、各ガス排出流路62の上流端62aから下流端62bまでの範囲の流路幅W1は、当該ガス排出流路62に隣接する各ガス供給流路52の上流端52aから下流端52bまでの範囲の流路幅W2より小さい。一方、流路(溝)の深さは、図3に示すように、ガス供給流路52とガス排出流路62とで等しい。これにより、各ガス排出流路62の流路断面積が、当該ガス排出流路62に隣接する各ガス供給流路52の流路断面積より小さくなっている。
Specifically, as shown in FIG. 4, the flow passage width W1 in the range from the
対向櫛形流路におけるクロスフローの流量は、流路間差圧の大きさに応じて変化する。特に、ガス供給流路とガス排出流路とを連通するガス拡散層の通気抵抗が、対向櫛形流路の上流側領域から下流側領域に亘って略均一である場合、主流れ方向FDにおけるクロスフローの流量分布は、主流れ方向FDにおける流路間差圧と同様の分布となる。 The flow rate of the cross flow in the facing comb-shaped flow passage changes according to the magnitude of the differential pressure between the flow passages. In particular, when the gas diffusion layer communicating between the gas supply flow path and the gas discharge flow path has a substantially uniform ventilation resistance from the upstream side region to the downstream side region of the opposing comb-shaped flow path, the cross in the main flow direction FD. The flow rate distribution of the flow is the same as the pressure difference between the flow paths in the main flow direction FD.
図5は、対向櫛形流路の互いに隣接するガス供給流路及びガス排出流路における流路抵抗の関係が、流路間差圧の分布、すなわち、クロスフローの流量分布に与える影響を模式的に示している。(a)のグラフは、互いに隣接するガス供給流路及びガス排出流路の各々の主流れ方向FDにおける圧力分布を示し、(b)のグラフは、両流路間のクロスフローの主流れ方向FDにおける流量分布を示す。これらのグラフにおいて、破曲線は、ガス排出流路の流路抵抗とこれに隣接するガス供給流路の流路抵抗とが等しい場合を示し、実曲線は、ガス排出流路の流路抵抗がこれに隣接するガス供給流路の流路抵抗より大きい場合を示す。なお、(a)のグラフでは、両流路の流路抵抗が等しい場合(破曲線)と異なる場合(実曲線)との比較を容易にするため、ガス供給流路の上流端における圧力を揃えて表示している。また、(a)において、流路間差圧の大きさは、破曲線同士の縦軸方向の間隔、或いは実曲線同士の縦軸方向の間隔として表示されている。 FIG. 5 is a schematic diagram showing how the relationship between the flow path resistances in the gas supply flow path and the gas discharge flow path adjacent to each other in the opposed comb-shaped flow path affects the distribution of the differential pressure between the flow paths, that is, the flow rate distribution of the cross flow. Is shown in. The graph of (a) shows the pressure distribution in the main flow direction FD of each of the gas supply flow path and the gas discharge flow path adjacent to each other, and the graph of (b) shows the main flow direction of the cross flow between both flow paths. The flow distribution in FD is shown. In these graphs, the broken curve shows the case where the flow path resistance of the gas discharge flow path and the flow path resistance of the gas supply flow path adjacent thereto are equal, and the solid curve shows the flow path resistance of the gas discharge flow path. The case where the flow path resistance of the gas supply flow path adjacent to this is larger than that is shown. In the graph of (a), the pressures at the upstream ends of the gas supply channels are made uniform in order to facilitate comparison between cases where the flow path resistances of both flow paths are equal (broken curve) and different cases (real curve). Is displayed. Further, in (a), the magnitude of the differential pressure between the flow paths is displayed as the space between the broken curves in the vertical direction or the space between the real curves in the vertical direction.
(a)に破曲線で示すように、ガス排出流路の流路抵抗が隣接するガス供給流路の流路抵抗と等しい場合、流路間差圧の大きさは、上流側領域と下流側領域とで略等しくなる。このため、上流側領域におけるクロスフローの流量は、(b)に破曲線で示すように、下流側領域におけるクロスフローの流量と略等しくなる。 As indicated by a broken curve in (a), when the flow path resistance of the gas discharge flow path is equal to the flow path resistance of the adjacent gas supply flow path, the magnitude of the differential pressure between the flow paths is determined by the upstream region and the downstream side. It is almost equal to the area. Therefore, the flow rate of the cross flow in the upstream region is substantially equal to the flow rate of the cross flow in the downstream region, as shown by the broken curve in (b).
一方、ガス排出流路の流路抵抗が隣接するガス供給流路の流路抵抗より大きい場合、(a)に実曲線で示すように、上流側領域の流路間差圧は、下流側領域の流路間差圧よりも小さくなる。このため、クロスフローの流量は、(b)に実曲線で示すように、上流側領域より下流側領域で大きくなる。 On the other hand, when the flow path resistance of the gas discharge flow path is larger than the flow path resistance of the adjacent gas supply flow path, as shown by the solid curve in (a), the flow path differential pressure in the upstream region is It becomes smaller than the differential pressure between the channels. Therefore, the flow rate of the cross flow becomes larger in the downstream region than in the upstream region, as shown by the solid curve in (b).
本実施形態では、上述の通り、ガス排出流路62の流路抵抗が、当該ガス排出流路62に隣接する各ガス供給流路52の流路抵抗より大きいので、前者が後者以下である場合と比較して、流路間差圧が、上流側領域でより小さく、下流側領域でより大きくなる。従って、本実施形態によれば、クロスフローの流量を上流側領域で減少させつつ、下流側領域で増大させることができ、これにより下流側領域におけるガス拡散性の低下を抑制して、燃料電池の発電効率を向上させることができる。なお、図4では、クロスフローの流量の大きさを、矢印の大きさで示している。
In the present embodiment, as described above, since the flow channel resistance of the gas
また、燃料電池セル1のような固体高分子型燃料電池は、低加湿条件下で運転すると、対向櫛形流路の上流側領域で膜電極接合体が乾燥し、電解質膜のプロトン伝導性が低下して、発電性能が低下する傾向がある。一方、高加湿条件下や高電流密度条件下で運転すると、下流側領域で、生成水または加湿蒸気の凝縮水等の液水がガス拡散層内に滞留し、ガスの拡散が阻害されて、発電性能が低下する傾向がある。
In addition, when the polymer electrolyte fuel cell such as the
本実施形態によれば、上述の通り、クロスフローの流量を上流側領域で減少させつつ、下流側領域で増大させることができる。このため、上流側領域における膜電極接合体10の乾燥を抑えるとともに、下流側領域におけるガス拡散層15内の液水の滞留を防止してガスの拡散性を確保することができる。これにより、燃料電池セル1の発電性能を向上させることができる。
According to the present embodiment, as described above, the flow rate of the cross flow can be decreased in the upstream area and increased in the downstream area. Therefore, it is possible to suppress the drying of the
また、本実施形態では、ガス排出流路62の流路断面積をガス供給流路52の流路断面積より小さくした。これにより、簡易な構造で、ガス排出流路62の流路抵抗を隣接する各ガス供給流路52の流路抵抗より大きくすることができる。
Further, in the present embodiment, the flow passage cross-sectional area of the gas
<第1変形例>
上記実施形態では、ガス排出流路62の流路幅W1をガス供給流路52の流路幅W2より小さくすることで、ガス排出流路62の流路断面積をガス供給流路52の流路断面積より小さくしたが、流路断面積の設定方法はこれに限定されない。流路の幅以外の寸法や断面形状をガス排出流路62とガス供給流路52とで異ならせることで、両流路の流路断面積を異ならせてもよい。例えば、図6に示すように、流路(溝)の幅をガス排出流路62とガス供給流路52とで同じ幅Wに統一しつつ、ガス排出流路62の流路(溝)の深さD1をガス供給流路52流路(溝)の深さD2より小さくなるように設定してもよい。
<First Modification>
In the above-described embodiment, the flow passage width W1 of the gas
<第2変形例>
また、図7に示すように、ガス排出流路62の断面形状を、ガス供給流路52の矩形断面と同じ最大幅W及び最大深さDを有する台形としてもよい。なお、両流路の断面形状は、特に限定されず、図示は省略するが、矩形及び台形以外の多角形状、半円状、半楕円状、半長円状等であってもよい。
<Second Modification>
Further, as shown in FIG. 7, the cross sectional shape of the
<第3変形例>
上記実施形態及び変形例では、ガス排出流路62の流路断面積をガス供給流路52の流路断面積より小さくすることで、ガス排出流路62の流路抵抗をガス供給流路52の流路抵抗より小さくしたが、流路抵抗の設定方法はこれに限定されない。流路の内壁面の形状や表面粗さをガス排出流路62とガス供給流路52とで異ならせることで、両流路の流路抵抗を異ならせてもよい。例えば、ガス供給流路52の内壁を滑らかな表面(不図示)にしつつ、図8に示すように、ガス排出流路62の内壁に凹凸を設けることで、両流路の流路抵抗を異ならせてもよい。
<Third Modification>
In the above-described embodiment and modification, the flow passage cross-sectional area of the gas
<第4変形例>
さらに、各流路の上流端52a,62aから下流端52b,62bまでの流路長さを異ならせることで、両流路の流路抵抗を異ならせてもよい。具体的には、例えば、図9に示すように、ガス供給流路52を上流端52aから下流端52bまで主流れ方向FDに沿って直線状に延在させる一方で、ガス排出流路62を上流端62aと下流端62bとの間で蛇行させてもよい。これにより、各ガス排出流路62の上流端62aから下流端62bまでの流路長さが、当該ガス排出流路62に隣接する各ガス供給流路52の上流端52aから下流端52bまでの流路長さより長くなる。
<Fourth Modification>
Furthermore, the flow path resistance of both flow paths may be made different by making the flow path length from the upstream ends 52a, 62a to the downstream ends 52b, 62b of each flow path different. Specifically, for example, as shown in FIG. 9, the
これら第1乃至第4変形例によれば、簡易な構造で、ガス排出流路62の流路抵抗を隣接する各ガス供給流路52の流路抵抗より大きくすることができる。
According to these first to fourth modified examples, the flow passage resistance of the gas
<第2実施形態>
上記実施形態及び変形例に係るガス流路構造では、ガス供給流路52及びガス排出流路62の流路抵抗は、それぞれの上流端52a,62aから下流端52b,62bまで均等に設定されていた。すなわち、主流れ方向FDの単位長さあたりの各流路の流路抵抗は、主流れ方向FDにおいて一様に分布していた。しかしながら、流路抵抗の主流れ方向FDにおける分布は、これに限定されない。
<Second Embodiment>
In the gas flow channel structure according to the above-described embodiment and modification, the flow channel resistances of the gas
以下、本発明の第2実施形態について説明する。ここでは重複を避けるため、第1実施形態と共通する構成についてはその説明を省略し、第1実施形態と異なる構成について説明する。また、ガス流路構造は、第1実施形態と同様に、酸化剤ガス流路40を例にとって説明する。燃料ガス流路20については、ガス供給口及びガス排出口の位置が酸化剤ガス流路40のそれと異なるが、他の構成は同様であるので、ここでは詳細な説明を省略する。
The second embodiment of the present invention will be described below. Here, in order to avoid duplication, the description of the configuration common to the first embodiment will be omitted, and the configuration different from the first embodiment will be described. Further, the gas flow channel structure will be described by taking the oxidant
本実施形態のガス流路構造では、図10に示すように、ガス供給流路52が、各々、上流部52Aと下流部52Bとに区分けされる。また、ガス排出流路62は、各々、上流部62Aと下流部62Bとに区分けされる。上流部52A及び下流部52Bは、それぞれガス供給流路52の上流端52aから下流端52bまでの流路長さの1/2の流路長さを有している。また、上流部62A及び下流部62Bは、それぞれガス排出流路62の上流端62aから下流端62bまでの流路長さの1/2の流路長さを有している。
In the gas flow channel structure of the present embodiment, as shown in FIG. 10, the gas
また、ガス排出流路62の最小流路断面積は、そのガス排出流路62に隣接する各ガス供給流路52の最小流路断面積より小さくなっている。ここで、ガス排出流路62の最小流路断面積は、上流部62Aの流路断面積と下流部62Bの流路断面積とのうちの最小値であり、ガス供給流路52の最小流路断面積は、上流部52Aの流路断面積と下流部52Bの流路断面積とのうちの最小値である。より具体的には、各上流部62Aの流路幅W11は、当該上流部62Aに隣接する各上流部52Aの流路幅W21より小さく、また、各下流部62Bの流路幅W12は、当該下流部62Bに隣接する各下流部52Bの流路幅W22より小さい。一方、流路(溝)の深さは、上流部52Aと上流部62Aとで等しく、下流部52Bと下流部62Bとで等しい。このように、本実施形態では、各上流部62Aの流路断面積が、当該上流部62Aに隣接する各上流部52Aの流路断面積より小さく、各下流部62Bの流路断面積が、当該下流部62Bに隣接する各下流部52Bの流路断面積より小さくなっている。
The minimum flow passage cross-sectional area of the gas
従って、ガス排出流路62の上流部62Aの流路抵抗は、当該ガス排出流路62に隣接する各ガス供給流路52の上流部52Aの流路抵抗より大きい。また、ガス排出流路62の下流部62Bの流路抵抗は、当該ガス排出流路62に隣接する各ガス供給流路52の下流部52Bの流路抵抗より大きい。
Therefore, the flow path resistance of the
本実施形態によれば、上記第1実施形態の効果に加え、次の効果を得ることができる。すなわち、本実施形態によれば、上流部(52A,62A)及び下流部(52B,62B)の両方において、ガス排出流路62側の流路抵抗がガス供給流路52側の流路抵抗より大きいので、上流部及び下流部のいずれか一方または両方において、前者が後者以下である場合と比較して、下流側領域における流路間差圧をより確実に大きくすることができる。従って、クロスフローの流量をより確実に上流側領域で減らし、下流側領域で増やすことができる。
According to this embodiment, the following effects can be obtained in addition to the effects of the first embodiment. That is, according to the present embodiment, in both the upstream portion (52A, 62A) and the downstream portion (52B, 62B), the flow passage resistance on the gas
なお、本実施形態によれば、同じガス供給流路52における上流部52Aと下流部52Bの流路抵抗の関係は、特に制限されず、また、同じガス排出流路62における上流部62Aと下流部62Bの流路抵抗の関係も、特に制限されない。さらに、各上流部(52A,62A)及び下流部(52B,62B)における主流れ方向FDの単位長さあたりの流路抵抗は、主流れ方向FDに沿って段階的に或いは滑らかに変化するように設定してもよい。
Note that, according to the present embodiment, the relationship of the flow resistances of the
<変形例>
上記第2実施形態では、ガス供給流路52及びガス排出流路62を、それぞれ上流部と下流部とに区分したが、区分数はこれに限定されない。例えば、ガス供給流路52及びガス排出流路62のそれぞれを、均等な流路長さを有するN個の要素に区分し、ガス排出流路62のn番目の要素の流路抵抗が、ガス供給流路52のn番目の要素の流路抵抗より大きくなるように設定してもよい。具体的には、例えば、ガス排出流路62のn番目の要素の流路断面積が、ガス供給流路52のn番目の要素の流路断面積より大きくなるようにすればよい。ここで、Nは、3以上の整数である。nは、各要素を上流側から数えたときの順番であり、1以上N以下の整数である。この場合においても、各ガス排出流路62の最小流路断面積(N個の各要素の流路断面積のうち最小値)は、そのガス排出流路62に隣接する各ガス供給流路52の最小流路断面積(N個の各要素の流路断面積のうち最小値)より小さくなっている。
<Modification>
In the second embodiment, the
本変形例によれば、上記第2実施形態の効果に加え、次の効果を得ることができる。すなわち、本変形例では、互いに隣接する要素同士のN個の組み合わせすべてにおいて、ガス排出流路62側の流路抵抗がガス供給流路52側の流路抵抗より大きいので、上記組み合わせのいずれかにおいてガス排出流路62側の流路抵抗がガス供給流路52側の流路抵抗以下である場合と比較して、下流側領域における流路間差圧をより確実に大きくすることができる。従って、クロスフローの流量をさらに確実に上流側領域で減らし、下流側領域で増やすことができる。
According to this modification, the following effects can be obtained in addition to the effects of the second embodiment. That is, in this modification, since the flow passage resistance on the gas
なお、本変形例では、同じガス供給流路52(またはガス排出流路62)のなかのN個の要素同士の間での流路抵抗の関係は、特に制限されない。また、各要素における主流れ方向FDの単位長さあたりの流路抵抗は、主流れ方向FDに沿って段階的に或いは滑らかに変化するように設定してもよい。 In this modification, the relationship of the flow path resistance between the N elements in the same gas supply flow path 52 (or gas discharge flow path 62) is not particularly limited. Further, the flow path resistance per unit length in the main flow direction FD in each element may be set so as to change stepwise or smoothly along the main flow direction FD.
また、上記第2実施形態における上流部52A,62A、下流部52B,62B、及びその変形例におけるガス供給流路52及びガス排出流路62の各要素に、上述の第1乃至第4変形例のいずれか一つ又はそれらの組合せに係る構造を適用してもよい。
In addition, the
<第3実施形態>
上記実施形態及び変形例に係るガス流路構造では、セパレータ11,12のガス拡散層15に接触する面の略全域に対向櫛形流路が形成されていた。しかしながら、上記対向櫛形流路は、平行流路やサーペンタイン流路など他形式の流路と組み合わせるなどして、セパレータ11,12のガス拡散層15に接触する面の一部の領域に設けてもよい。
<Third Embodiment>
In the gas flow path structures according to the above-described embodiment and modification, the facing comb-shaped flow paths are formed in substantially the entire surfaces of the
以下、本発明の第3実施形態について説明する。ここでは重複を避けるため、第1実施形態と共通する構成についてはその説明を省略し、第1実施形態と異なる構成について説明する。また、ガス流路構造は、第1実施形態と同様に、酸化剤ガス流路40を例にとって説明する。なお、燃料ガス流路20については、ガス供給口及びガス排出口の位置が酸化剤ガス流路40のそれと異なるが、他の構成は同様であるので、ここでは説明を省略する。
The third embodiment of the present invention will be described below. Here, in order to avoid duplication, the description of the configuration common to the first embodiment will be omitted, and the configuration different from the first embodiment will be described. Further, the gas flow channel structure will be described by taking the oxidant
本実施形態のガス流路構造では、図11に示すように、上流側に平行流路70が設けられ、下流側に対向櫛形流路が設けられている。平行流路70は、ガス供給口B1と、上流側ヘッダ流路71と、下流側ヘッダ流路72と、複数の分岐流路73とを備えている。上流側ヘッダ流路71は、ガス供給口B1に連通して、セパレータ12の幅方向Zに延在している。下流側ヘッダ流路72は、上流側ヘッダ流路71からセパレータ12の長手方向Yに離間して位置し、セパレータ12の幅方向Zに延在している。複数の分岐流路73は、各々、上流側ヘッダ流路71から分岐して、セパレータ12の長手方向Yに略平行に直線状に延在し、各下流端において下流側ヘッダ流路72に接続されている。下流側ヘッダ流路72は、対向櫛形流路のヘッダ流路51を兼ねており、複数のガス供給流路52が、各々、この下流側ヘッダ流路72から分岐して、セパレータ12長手方向Yに延在している。下流側の対向櫛形流路の構成は、上述の第1、第2実施形態またはそれらの変形例にかかる対向櫛形流路と同様であるので、ここでは詳細な説明を省略する。
In the gas flow channel structure of the present embodiment, as shown in FIG. 11, the
本実施形態によれば、上記第1実施形態の効果に加え、次の効果を得ることができる。すなわち、平行流路70は、ガス拡散層15内に強制対流を生じさせないので、低加湿条件下でも、上流側領域の膜電極接合体10を過度に乾燥させることがなく、上流側領域における電解質膜13のプロトン伝導性の低下を抑制することができる。一方、対向櫛形流路は、ガス拡散層15内における電極触媒層14により近い領域に強制対流を生じさせることで、当該領域における濃度勾配を高め、ガスの拡散性を向上させることができる。本実施形態では、ガスの濃度が比較的高い上流側領域に平行流路70を配置し、ガスの濃度が比較的低い下流側領域に対向櫛形流路を配置しているため、上流側領域における膜電極接合体10の乾燥を抑えるとともに、下流側領域においてガスの拡散性を確保することができる。これにより、燃料電池セル1の発電性能を向上させることができる。
According to this embodiment, the following effects can be obtained in addition to the effects of the first embodiment. That is, since the
以上、本発明のいくつかの実施形態及び変形例について説明したが、これら実施形態等は本発明の理解を容易にするために記載された単なる例示に過ぎず、本発明は当該実施形態等に限定されるものではない。本発明の技術的範囲は、上記実施形態等で開示した具体的な技術事項に限らず、そこから容易に導きうる様々な変形、変更、代替技術なども含むものである。 Although some embodiments and modifications of the present invention have been described above, these embodiments and the like are merely examples described for facilitating the understanding of the present invention, and the present invention includes the embodiments and the like. It is not limited. The technical scope of the present invention is not limited to the specific technical matters disclosed in the above-described embodiments and the like, but also includes various modifications, changes, and alternative techniques that can be easily derived therefrom.
例えば、上記実施形態等のガス流路構造は、膜電極接合体10の両側のガス拡散層15上に設けられていたが、片側のガス拡散層15上にのみ設けてもよく、また、燃料ガス及び酸化剤ガスのいずれか一方にのみ採用してもよい。
For example, the gas flow path structures of the above-described embodiments and the like are provided on the gas diffusion layers 15 on both sides of the
また、上記実施形態等におけるガス拡散層15の透気度は、セパレータ11,12に接する面の略全域において略均一であったが、ガス拡散層の透気度は、場所に応じて変化させてもよい。例えば上流側領域と下流側領域の間の中間領域など、局所領域でクロスフローの流量を増やしたい場合などは、その局所領域におけるガス拡散層の透気度を他の領域のそれより低く設定してもよい。
Further, the air permeability of the
上記第3実施形態では、上流側に平行流路を設け、下流側に対向櫛形流路を設けていたが、両者の配置は、燃料電池スタックに要求される環境条件、仕様等に応じて、適宜変更することが可能である。また、対向櫛形流路には、平行流路に替えて、或いは加えてサーペンタイン流路を組み合わせることも可能である。このサーペンタイン流路と、他の対向櫛形流路、平行流路との配置関係も、燃料電池スタックに要求される環境条件、仕様等に応じて、適宜設定することが可能である。 In the third embodiment, the parallel flow path is provided on the upstream side, and the facing comb-shaped flow path is provided on the downstream side. However, the arrangement of both is determined according to the environmental conditions required for the fuel cell stack, specifications, and the like. It can be changed appropriately. Further, a serpentine channel can be combined with the opposing comb-shaped channel instead of or in addition to the parallel channel. The positional relationship between the serpentine flow channel and the other opposing comb-shaped flow channels and the parallel flow channel can be appropriately set according to the environmental conditions, specifications, etc. required for the fuel cell stack.
1 燃料電池セル(燃料電池)
10 膜電極接合体
11,12 セパレータ
15 ガス拡散層
52 ガス供給流路
52a ガス供給流路の上流端
52b ガス供給流路の下流端
52A ガス供給流路の上流部
52B ガス供給流路の下流部
A1,B1 ガス供給口
62 ガス排出流路
62a ガス排出流路の上流端
62b ガス排出流路の下流端
62A ガス排出流路の上流部
62B ガス排出流路の下流部
A2,B2 ガス排出口
1 Fuel cell (fuel cell)
10
Claims (6)
上流端がガス供給口に連通し、下流端が閉塞された複数のガス供給流路と、
上流端が閉塞され、下流端がガス排出口に連通した複数のガス排出流路とが互いに間隔をあけて交互に並設され、
各ガス供給流路の上流端は、当該ガス供給流路に隣接するガス排出流路の上流端近傍に位置し、
各ガス排出流路の下流端は、当該ガス排出流路に隣接するガス供給流路の下流端近傍に位置し、
各ガス排出流路の上流端から下流端までの流路抵抗は、当該ガス排出流路に隣接する各ガス供給流路の上流端から下流端までの流路抵抗より大きく、
各ガス排出流路の上流端から下流端までの流路長さは、当該ガス排出流路に隣接する各ガス供給流路の上流端から下流端までの流路長さより長いことを特徴とする燃料電池のガス流路構造。 On the gas diffusion layer on at least one side of the membrane electrode assembly,
A plurality of gas supply passages whose upstream end communicates with the gas supply port and whose downstream end is closed;
The upstream end is closed, the downstream end is a plurality of gas discharge passages communicating with the gas discharge port, and the gas discharge flow path is alternately arranged in parallel with each other,
The upstream end of each gas supply passage is located near the upstream end of the gas discharge passage adjacent to the gas supply passage,
The downstream end of each gas discharge channel is located near the downstream end of the gas supply channel adjacent to the gas discharge channel,
Each gas flow path resistance from the upstream end of the discharge channel to the downstream end is much larger than the flow path resistance to the downstream end from the upstream end of the gas supply passage adjacent to the gas discharge channel,
The flow path length from the upstream end to the downstream end of each gas discharge flow path is characterized by being longer than the flow path length from the upstream end to the downstream end of each gas supply flow path adjacent to the gas discharge flow path. Gas flow channel structure for fuel cells.
前記ガス排出流路の上流部の流路抵抗は、当該ガス排出流路に隣接する各ガス供給流路の上流部の流路抵抗より大きく、
前記ガス排出流路の下流部の流路抵抗は、当該ガス排出流路に隣接する各ガス供給流路の下流部の流路抵抗より大きいことを特徴とする請求項1に記載の燃料電池のガス流路構造。 The gas supply passage is divided into an upstream portion and a downstream portion having a passage length of ½ of the passage length from the upstream end to the downstream end of the gas supply passage, Is divided into an upstream part and a downstream part having a flow path length of 1/2 of the flow path length from the upstream end to the downstream end of the gas discharge flow path,
The flow path resistance of the upstream part of the gas discharge flow path is larger than the flow path resistance of the upstream part of each gas supply flow path adjacent to the gas discharge flow path,
The fuel cell according to claim 1, wherein a flow passage resistance at a downstream portion of the gas discharge flow passage is larger than a flow passage resistance at a downstream portion of each gas supply flow passage adjacent to the gas discharge flow passage. Gas flow path structure.
前記ガス排出流路の上流部の流路抵抗は、当該ガス排出流路に隣接する各ガス供給流路の上流部の流路抵抗より大きく、
前記ガス排出流路の中流部の流路抵抗は、当該ガス排出流路に隣接する各ガス供給流路の中流部の流路抵抗より大きく、
前記ガス排出流路の下流部の流路抵抗は、当該ガス排出流路に隣接する各ガス供給流路の下流部の流路抵抗より大きいことを特徴とする請求項1に記載の燃料電池のガス流路構造。 The gas supply passage is divided into an upstream portion, a middle flow portion, and a downstream portion having a passage length of 1/3 of the passage length from the upstream end to the downstream end of the gas supply passage, When the discharge flow passage is divided into an upstream portion, a middle flow portion, and a downstream portion having a flow passage length of 1/3 of the flow passage length from the upstream end to the downstream end of the gas discharge flow passage,
The flow path resistance of the upstream part of the gas discharge flow path is larger than the flow path resistance of the upstream part of each gas supply flow path adjacent to the gas discharge flow path,
The flow path resistance of the midstream part of the gas discharge flow path is larger than the flow path resistance of the midstream part of each gas supply flow path adjacent to the gas discharge flow path,
The fuel cell according to claim 1, wherein a flow passage resistance at a downstream portion of the gas discharge flow passage is larger than a flow passage resistance at a downstream portion of each gas supply flow passage adjacent to the gas discharge flow passage. Gas flow path structure.
前記膜電極接合体を挟持するセパレータと、を備え、
前記膜電極接合体のガス拡散層と前記セパレータの前記ガス拡散層に接する面に形成された流路溝との間に画成されるガス流路の少なくとも一部に、請求項1乃至4のいずれか一項に記載のガス流路構造を備えたことを特徴とする燃料電池。 With the membrane electrode assembly,
A separator sandwiching the membrane electrode assembly,
The gas flow path defined between the gas diffusion layer of the membrane electrode assembly and the flow path groove formed in the surface of the separator in contact with the gas diffusion layer, at least a part of which is defined in any one of claims 1 to 4 . A fuel cell comprising the gas flow channel structure according to any one of claims.
上流端がガス供給口に連通し、下流端が閉塞された複数のガス供給流路と、
上流端が閉塞され、下流端がガス排出口に連通した複数のガス排出流路とが互いに間隔をあけて交互に並設され、
各ガス供給流路の上流端は、当該ガス供給流路に隣接するガス排出流路の上流端近傍に位置し、
各ガス排出流路の下流端は、当該ガス排出流路に隣接するガス供給流路の下流端近傍に位置し、
各ガス排出流路の上流端から下流端までの流路抵抗は、当該ガス排出流路に隣接する各ガス供給流路の上流端から下流端までの流路抵抗より大きく、
各ガス排出流路の上流端から下流端までの流路長さは、当該ガス排出流路に隣接する各ガス供給流路の上流端から下流端までの流路長さより長いことを特徴とするセパレータ。 On the surface of the membrane electrode assembly in contact with the gas diffusion layer,
A plurality of gas supply passages whose upstream end communicates with the gas supply port and whose downstream end is closed;
The upstream end is closed and the downstream end is provided with a plurality of gas discharge flow paths communicating with the gas discharge port, and the gas discharge flow paths are alternately arranged side by side.
The upstream end of each gas supply passage is located near the upstream end of the gas discharge passage adjacent to the gas supply passage,
The downstream end of each gas discharge channel is located near the downstream end of the gas supply channel adjacent to the gas discharge channel,
Each gas flow path resistance from the upstream end of the discharge channel to the downstream end is much larger than the flow path resistance to the downstream end from the upstream end of the gas supply passage adjacent to the gas discharge channel,
The flow path length from the upstream end to the downstream end of each gas discharge flow path is characterized by being longer than the flow path length from the upstream end to the downstream end of each gas supply flow path adjacent to the gas discharge flow path. Separator.
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