JP7101067B2 - 燃料電池用単位セル - Google Patents
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Description
一般的に、燃料電池スタックは、膜‐電極接合体(MEA:Membrane‐Electrode Assembly)と、膜‐電極接合体の両面にそれぞれ配置された分離板などを含む多数の単位セルが積層されてなる。
膜‐電極接合体は、高分子電解質膜と、高分子電解質膜の一面に配置されるアノード電極と、高分子電解質膜の他面に配置されるカソード電極などを備える。分離板は、水素をアノード電極に供給するための水素チャンネルと、空気をカソード電極に供給するための空気チャンネルと、冷却水を流動させるための冷却水チャンネルなどを備える。
また、本発明は、反応ガス流路の気孔率を反応ガス流路の区間別に異なるように調節できるように構造を改善した燃料電池用単位セルを提供することを目的とする。
さらに、本発明は、単位セル内の構成要素間の接触状態を安定的に維持できるように構造を改善した燃料電池用単位セルを提供することを目的とする。
また、ガス拡散層の永久収縮変形をコイルばねの弾性復元により補償し、単位セル内の構成要素間の接触状態を安定的に維持することができる。
図1は本発明の好ましい実施形態による燃料電池用単位セルの積層構造を説明するための斜視図であり、図2は膜‐電極接合体の積層構造を説明するための断面図である。
図1に示す通り、本発明の好ましい実施形態による燃料電池用単位セル1(以下、「単位セル1」とする)は、膜‐電極接合体10と、膜‐電極接合体10の一面に配置される第1のガス拡散層20と、膜‐電極接合体10の他面に配置される第2のガス拡散層30と、第1のガス拡散層20の一面から離隔するように配置される第1の分離板40と、予め定められた方向に沿って交互に形成されるランド部52とチャンネル部54とを備え、第2のガス拡散層30の一面に配置される第2の分離板50と、第1のガス拡散層20と第1の分離板40との間に介在される少なくとも一つのコイルばね60などを含む。
次に、図1に示す通り、第1のガス拡散層20は、カソード電極14に比べて単位セル1の外側の方に位置するようにカソード電極14の一面に配置される。図1に示す通り、これに対応して、第2のガス拡散層30は、アノード電極16に比べて単位セル1の外側に位置するようにアノード電極16の一面に配置される。かかるガス拡散層20、30は、通常の単位セルのガス拡散層と同じ構造を有するため、第1のガス拡散層20と第2のガス拡散層30に関するより詳細な説明は省略する。
次に、第2の分離板50は、第2のガス拡散層30に比べて単位セル1の外側に位置するように、第2のガス拡散層30の一面に配置される。かかる第2の分離板50は、予め定められた方向に沿って交互に形成されたランド部52とチャンネル部54とを備える。ランド部52とチャンネル部54の形状は、特に限定されない。例えば、図1に示すように、ランド部52は谷形状を有してもよく、チャンネル部54は山形状を有してもよい。
図3に示すように、コイルばね60は、予め定められた直径D1を有するばねワイヤ62が螺旋状に巻取られて形成される。かかるコイルばね60は、単位セル1の設計目的に応じて予め定められたピッチPと直径D2を有するように形成されてもよい。
コイルばね60は、第1のガス拡散層20の一面と第1の分離板40を弾性支持するとともに電気的に連結することができるように、第1のガス拡散層20の一面と第1の分離板40との間に介在される。例えば、図1に示すように、コイルばね60は、コイルばね60の軸方向が膜‐電極接合体10の厚さ方向と垂直になるように、第1のガス拡散層20の一面と第1の分離板40との間に介在されてもよい。かかるコイルばね60は、第1のガス拡散層20と第1の分離板40との間隔を予め定められた距離だけ維持することで、第1のガス拡散層20と第1の分離板40との間の空間に反応ガスと生成水などを移送するための反応ガス流路90を構成することができる。
図6はコイルばねがジグザグ状に折り畳まれて配置された状態を示す図であり、図7はコイルばねが螺旋状に折り畳まれて配置された状態を示す図である。
コイルばね60の配置方法は、特に限定されない。
例えば、図4に示すように、複数のコイルばね60が複数の列をなすように配置されてもよい。この場合に、コイルばね60は、軸方向が反応ガス流路90を通過する空気の流動方向と予め定められた角度をなすように配置されてもよい。例えば、図5aに示すように、コイルばね60のうち少なくとも一つは、軸方向が空気の流動方向と平行になるように配置されてもよい。例えば、図5bに示すように、コイルばね60のうち少なくとも一つは、軸方向が空気の流動方向と垂直になるように配置されてもよい。
また、図7に示すように、少なくとも一つのコイルばね60が螺旋状に折り畳まれて配置されてもよい。
図8はコイルばねが第1の分離板に溶接された状態を示す図であり、図9a~cはコイルばねが第1の分離板の係止突起に係止された状態を示す図である。
コイルばね60は、予め定められた位置を維持できるように、第1の分離板40に固定されることが好ましい。
例えば、図8に示すように、コイルばね60は、予め定められた溶接点Wが第1の分離板40の一面に溶接され固定されてもよい。
図10a~cはコイルばねが互いに重ね合わされるように配置される状態を示す図である。
コイルばね60の設置間隔は、特に限定されない。
例えば、図10a~cに示すように、コイルばね60は、互いに隣接して位置したコイルばね60が予め定められた重ね合わせ率だけ重ね合わされるように配置されたり予め定められた間隔だけ離隔するように配置されてもよい。コイルばね60の重ね合わせとは、コイルばね60の配置間隔がコイルばね60の直径D2に比べて小さくてコイルばね60が互いに重なるように配置された状態を言う。
反応ガス流路90の気孔率は、反応ガス流路90の全容積に対してコイルばね60によって占有されていない空間の容積の割合であり、反応ガス流路90の全容積に対してコイルばね60が占有する容積の割合に反比例する。すなわち、反応ガス流路90の気孔率は、反応ガス流路90の全容積に対してコイルばね60が占有する容積の割合が低くなるほど高くなる。したがって、反応ガス流路90の気孔率は、反応ガス流路90の全容積に対してコイルばね60が占有する容積の割合を調節することで調節することができる。
これに鑑みて、コイルばね60は、単位セル1の設計目的に応じて反応ガス流路90が予め定められた気孔率を有するように設けられてもよい。コイルばね60を用いて反応ガス流路90の気孔率を調節する方法は、特に限定されない。例えば、ばねワイヤの直径D1、コイルばね60のピッチP、コイルばね60の直径D2、コイルばね60の重ね合わせ率のうち少なくとも一つを調節することで、反応ガス流路90の気孔率を予め定められた目標気孔率に精度よく調節してもよい。
かかる問題を解決するために、コイルばね60は、反応ガス流路90の上流92側から下流94側に行くほど反応ガス流路90の気孔率が高くなるように配置されてもよい。そうすると、反応ガス流路90の上流92では、低い気孔率によって空気の拡散性が低下し、反応ガス流路90の下流94では、高い気孔率によって空気の拡散性が増加する。これにより、コイルばね60は、空気の流量の高低によるドライアウトとフラッディングを最小化することができる。
例えば、図11に示すように、コイルばね60のうち少なくとも一部は、反応ガス流路90の上流92側から下流94側に行くほど、コイルばね60の重ね合わせ率が低くなるように配置されてもよい。換言すれば、コイルばね60は、反応ガス流路90の上流92側から下流94側に行くほど、コイルばね60の配置間隔が長くなるように配置されてもよい。
例えば、図12に示すように、コイルばね60のうち少なくとも一部は、反応ガス流路90の上流92側から下流94側に行くほど、コイルばね60のうちピッチPが長いコイルばね60が位置するように配置されてもよい。
例えば、図14に示すように、コイルばね60のうち少なくとも一部は、反応ガス流路90の上流92側から下流94側に行くほど、ピッチPが長くなるように配置されてもよい。
コイルばね60のうち少なくとも一部は、反応ガス流路90の上流92側から下流94側に行くほど、コイルばね60のうちばねワイヤの直径D1が小さいコイルばね60が位置するように配置されてもよい。
一方、コイルばね60は、反応ガス流路90の上流92側から下流94側に行くほど反応ガス流路90の気孔率が高くなるように配置されると説明しているが、これに限定されるものではない。すなわち、コイルばね60は、反応ガス流路90の区間に応じて反応ガス流路90の気孔率が異なるように、ばねワイヤの直径D1、コイルばね60のピッチP、コイルばね60の直径D2、コイルばね60の重ね合わせ率のうち少なくとも一つが互いに異なるように配置されてもよい。
コイルばね60は、電流密度が高い領域に行くほど反応ガス流路90の気孔率が低くなるように配置されてもよい。換言すれば、コイルばね60は、電流密度が高い領域に行くほど反応ガス流路90の全容積に対してコイルばね60が占有する容積の割合が高くなるように配置される。そうすると、電流密度が高い領域に行くほど、コイルばね60が第1のガス拡散層20および第1の分離板40と接触する面積が増加する。これにより、コイルばね60は、電流密度が高い領域で第1のガス拡散層20と第1の分離板40との間の電気抵抗を下げることで、高い電気抵抗によるオーム(ohmic)損失を最小化することができる。
10 膜‐電極接合体
12 電解質膜
14 カソード電極
16 アノード電極
20 第1のガス拡散層
30 第2のガス拡散層
40 第1の分離板
42 係止突起
50 第2の分離板
52 ランド部
54 チャンネル部
60 コイルばね
62 ばねワイヤ
70 分離板チャンネル流路
80 冷却水流路
90 反応ガス流路
92 上流
94 下流
Claims (16)
- 膜‐電極接合体と、
前記膜‐電極接合体の一面に配置されるガス拡散層と、
前記ガス拡散層から離隔するように配置される分離板と、
前記ガス拡散層と前記分離板を弾性的に支持し、且つ電気的に連結するように、前記ガス拡散層と前記分離板との間に介在され、反応ガスを移送するための反応ガス流路を提供する少なくとも一つのコイルばねとを含み、
前記コイルばねは、前記反応ガス流路の上流側から下流側に行くほど前記反応ガス流路の気孔率が高くなるように配置され、
前記コイルばねは、前記反応ガス流路の上流側から下流側に行くほど前記コイルばねのうちばねのピッチが長いコイルばねが位置するように配置されることを特徴とする燃料電池用単位セル。 - 前記コイルばねは、それぞれ、軸方向が前記膜‐電極接合体の厚さ方向と垂直になるように配置されることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池用単位セル。
- 前記コイルばねは、それぞれ、前記分離板に固定されることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池用単位セル。
- 前記コイルばねは、それぞれ、前記分離板に溶接されることを特徴とする請求項3に記載の燃料電池用単位セル。
- 前記コイルばねは、それぞれ、前記分離板に接着材によって接着されることを特徴とする請求項3に記載の燃料電池用単位セル。
- 前記分離板は、前記コイルばねのいずれか一つが係止される少なくとも一つの係止突起を備えることを特徴とする請求項3に記載の燃料電池用単位セル。
- 前記コイルばねは、それぞれ、前記反応ガス流路の区間に応じてばねのピッチが異なるように前記係止突起に係止されることを特徴とする請求項6に記載の燃料電池用単位セル。
- 前記コイルばねは、前記反応ガス流路の上流側から下流側に行くほどばねのピッチが長くなるように配置されることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池用単位セル。
- 膜‐電極接合体と、
前記膜‐電極接合体の一面に配置されるガス拡散層と、
前記ガス拡散層から離隔するように配置される分離板と、
前記ガス拡散層と前記分離板を弾性的に支持し、且つ電気的に連結するように、前記ガス拡散層と前記分離板との間に介在され、反応ガスを移送するための反応ガス流路を提供する少なくとも一つのコイルばねとを含み、
前記コイルばねは、前記反応ガス流路の上流側から下流側に行くほど前記反応ガス流路の気孔率が高くなるように配置され、
前記コイルばねは、前記反応ガス流路の上流側から下流側に行くほど前記コイルばねの重ね合わせ率が低くなるように配置されることを特徴とする燃料電池用単位セル。 - 膜‐電極接合体と、
前記膜‐電極接合体の一面に配置されるガス拡散層と、
前記ガス拡散層から離隔するように配置される分離板と、
前記ガス拡散層と前記分離板を弾性的に支持し、且つ電気的に連結するように、前記ガス拡散層と前記分離板との間に介在され、反応ガスを移送するための反応ガス流路を提供する少なくとも一つのコイルばねとを含み、
前記コイルばねは、前記反応ガス流路の上流側から下流側に行くほど前記反応ガス流路の気孔率が高くなるように配置され、
前記コイルばねは、前記反応ガス流路の上流側から下流側に行くほど前記コイルばねの配置間隔が長くなるように配置されることを特徴とする燃料電池用単位セル。 - 膜‐電極接合体と、
前記膜‐電極接合体の一面に配置されるガス拡散層と、
前記ガス拡散層から離隔するように配置される分離板と、
前記ガス拡散層と前記分離板を弾性的に支持し、且つ電気的に連結するように、前記ガス拡散層と前記分離板との間に介在され、反応ガスを移送するための反応ガス流路を提供する少なくとも一つのコイルばねとを含み、
前記コイルばねは、前記反応ガス流路の上流側から下流側に行くほど前記反応ガス流路の気孔率が高くなるように配置され、
前記コイルばねは、前記反応ガス流路の上流側から下流側に行くほど前記コイルばねのうちばねワイヤの直径が小さいコイルばねが位置するように配置されることを特徴とする燃料電池用単位セル。 - 膜‐電極接合体と、
前記膜‐電極接合体の一面に配置されるガス拡散層と、
前記ガス拡散層から離隔するように配置される分離板と、
前記ガス拡散層と前記分離板を弾性的に支持し、且つ電気的に連結するように、前記ガス拡散層と前記分離板との間に介在され、反応ガスを移送するための反応ガス流路を提供する少なくとも一つのコイルばねとを含み、
前記コイルばねは、前記反応ガス流路の上流側から下流側に行くほど前記反応ガス流路の気孔率が高くなるように配置され、
前記コイルばねは、前記反応ガス流路の上流側から下流側に行くほど前記コイルばねのうち直径が小さいコイルばねが位置するように配置されることを特徴とする燃料電池用単位セル。 - 前記コイルばねは、それぞれ、軸方向が前記反応ガスの流動方向と予め定められた角度をなすように配置されることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池用単位セル。
- 前記コイルばねのうち少なくとも一部は、軸方向が前記反応ガスの流動方向と平行になるように配置されることを特徴とする請求項13に記載の燃料電池用単位セル。
- 前記コイルばねのうち少なくとも一部は、軸方向が前記反応ガスの流動方向と垂直になるように配置されることを特徴とする請求項13に記載の燃料電池用単位セル。
- 膜‐電極接合体と、
前記膜‐電極接合体の一面に配置されるガス拡散層と、
前記ガス拡散層から離隔するように配置される分離板と、
前記ガス拡散層と前記分離板を弾性的に支持し、且つ電気的に連結するように、前記ガス拡散層と前記分離板との間に介在され、反応ガスを移送するための反応ガス流路を提供する少なくとも一つのコイルばねとを含み、
前記コイルばねのうち少なくとも一部は、電流密度が高い領域に行くほど前記反応ガス流路の気孔率が低くなるように配置されることを特徴とする燃料電池用単位セル。
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