JP7115838B2 - fuel cell - Google Patents
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Description
本発明は、燃料電池セルに関する。 The present invention relates to fuel cells.
従来から燃料電池のセパレータ構造に関する発明が知られている(下記特許文献1を参照)。特許文献1に記載された発明は、セパレータが金属プレス成型品などの波形セパレータである場合に、各セル間における反応ガスおよび冷却水の流量のばらつきが大きくなることを課題とし、波形セパレータを使用したときの各セル間における反応ガスおよび冷却水の流量のばらつきを抑制しながらセルピッチを低減することを目的としている(同文献、第0003-0004段落等を参照)。
Conventionally, an invention relating to a separator structure for a fuel cell has been known (see
この目的を達成するために、特許文献1は、第1反応ガスが流れる第1マニホールドと、第2反応ガスが流れる第2マニホールドと、冷却媒体が流れる冷却媒体マニホールドとを一端に有する第1セパレータおよび第2セパレータを備えた燃料電池のセパレータ構造を開示している(同文献、請求項1等を参照)。
To achieve this purpose,
前記第1セパレータは、第1反応ガスが流れる第1反応ガス流路部と、前記第1反応ガス流路部の背面において冷却媒体が流れる第1冷却媒体流路部とを有している。前記第2セパレータは、第2反応ガスが流れる第2反応ガス流路部と、前記第2反応ガスの背面において冷却媒体が流れる第2冷却媒体流路部とを有している。 The first separator has a first reactant gas channel portion through which a first reactant gas flows, and a first coolant channel portion through which a cooling medium flows behind the first reactant gas channel portion. The second separator has a second reactant gas channel portion through which a second reactant gas flows, and a second coolant channel portion through which a coolant flows behind the second reactant gas.
この従来のセパレータ構造を備えた燃料電池は、前記第1セパレータの前記第1反応ガス流路側の面と、前記第2セパレータの前記第2反応ガス流路側の面とが対向するように、電解質膜・電極構造体を挟んで構成される燃料電池セルを複数積層して構成される。また、この従来の燃料電池のセパレータ構造は、第1反応ガス配流部と、第2反応ガス配流部と、第1冷却媒体配流部と、第2冷却媒体配流部と、を備える。 In the fuel cell having this conventional separator structure, the electrolyte is arranged such that the surface of the first separator facing the first reactant gas channel and the surface of the second separator facing the second reactant gas channel face each other. It is constructed by stacking a plurality of fuel cells each having a membrane-electrode assembly sandwiched therebetween. In addition, this conventional fuel cell separator structure includes a first reaction gas distribution portion, a second reaction gas distribution portion, a first cooling medium distribution portion, and a second cooling medium distribution portion.
前記第1反応ガス配流部は、前記第1セパレータの前記第1反応ガス流路側の面における前記第1マニホールドと前記第1反応ガス流路部との間に設けられ、第1反応ガスを前記第1反応ガス流路部の流路幅方向へ配流する。前記第2反応ガス配流部は、前記第2セパレータの前記第2反応ガス流路側の面における前記第2マニホールドと前記第2反応ガス流路部との間に設けられ、第2反応ガスを前記第2反応ガス流路部の流路幅方向へ配流する。 The first reaction gas distribution section is provided between the first manifold and the first reaction gas flow path section on the surface of the first separator on the first reaction gas flow path side, and distributes the first reaction gas to the The reaction gas is distributed in the width direction of the first reaction gas flow path. The second reaction gas distribution section is provided between the second manifold and the second reaction gas flow path section on the surface of the second separator on the second reaction gas flow path side, and distributes the second reaction gas to the The reaction gas is distributed in the width direction of the second reaction gas flow path.
前記第1冷却媒体配流部は、前記第1セパレータの前記第1冷却媒体流路側の面において、前記第1反応ガス配流部の背面と前記冷却媒体マニホールドおよび前記第2マニホールドとの間に凹設され、冷却媒体を前記第1冷却媒体流路の流路幅方向へ配流する。前記第2冷却媒体配流部は、前記第2セパレータの前記第2冷却媒体流路側の面において、前記第2反応ガス配流部の背面と前記冷却媒体マニホールドおよび前記第1マニホールドとの間に凹設され、冷却媒体を前記第2冷却媒体流路の流路幅方向へ配流する。 The first cooling medium distribution portion is recessed between the back surface of the first reaction gas distribution portion and the cooling medium manifold and the second manifold on the surface of the first separator on the first cooling medium flow path side. and distributes the cooling medium in the width direction of the first cooling medium flow path. The second cooling medium distribution part is recessed between the back surface of the second reaction gas distribution part and the cooling medium manifold and the first manifold on the surface of the second separator on the second cooling medium flow path side. and distributes the cooling medium in the width direction of the second cooling medium flow path.
前記第1反応ガス配流部と前記第2反応ガス配流部とは、前記セパレータの積層方向に対して前記第1反応ガス流路部および前記第2反応ガス流路部の流路方向にずれている。前記第1反応ガス配流部の背面は、前記第2反応ガス流路部と対向している。前記第2反応ガス配流部の背面は、前記第1冷却媒体配流部と対向している。前記冷却媒体マニホールドから供給される冷却媒体は、前記第2反応ガス配流部の背面において前記第1冷却媒体配流部を流れた後、前記第1反応ガス配流部の背面において前記第2冷却媒体流路部を流れる。 The first reaction gas distribution portion and the second reaction gas distribution portion are shifted in the flow direction of the first reaction gas flow channel portion and the second reaction gas flow channel portion with respect to the stacking direction of the separators. there is The rear surface of the first reaction gas distribution section faces the second reaction gas flow path section. The rear surface of the second reaction gas distribution section faces the first cooling medium distribution section. The cooling medium supplied from the cooling medium manifold flows through the first cooling medium distribution section on the back surface of the second reaction gas distribution section, and then flows in the second cooling medium flow on the back surface of the first reaction gas distribution section. flow down the road.
また、前記第1反応ガス配流部と前記第1マニホールドとの間には、複数のスリット状の燃料ガス導入部が設けられている。この燃料ガス導入部の片端と前記第1マニホールドの端部とは、所定の間隔離れて配置される(同文献、第0011段落、図2等を参照)。また、前記第2反応ガス配流部と前記第2マニホールドとの間には、複数のスリット状の酸化剤ガス導入部が設けられている。この酸化剤ガス導入部の片端と前記第2マニホールドの端部とは、所定の間隔離れて配置される(同文献、第0014段落、図3等を参照)。 Further, a plurality of slit-like fuel gas introduction portions are provided between the first reaction gas distribution portion and the first manifold. One end of the fuel gas introducing portion and the end of the first manifold are arranged apart from each other by a predetermined distance (see Paragraph 0011 of the same document, FIG. 2, etc.). A plurality of slit-like oxidant gas introduction portions are provided between the second reaction gas distribution portion and the second manifold. One end of the oxidant gas introducing portion and the end of the second manifold are arranged with a predetermined distance therebetween (see the same document, paragraph 0014, FIG. 3, etc.).
前記従来の燃料電池のセパレータ構造は、通常、第1反応ガス流路部と、第1反応ガスを排出するマニホールドとの間に、燃料ガス導入部と同様の複数のスリット状の燃料ガス導出部が設けられる。また、第2反応ガス流路部と、第2反応ガスを排出するマニホールドとの間に、酸化剤ガス導入部と同様に、複数のスリット状の酸化剤ガス導出部が設けられる。このような複数のスリット状のガス導出部は、たとえば、燃料電池スタックの内部の水分を排出する掃気時に、水などの液体によって閉塞されるおそれがある。 In the separator structure of the conventional fuel cell, a plurality of slit-shaped fuel gas outlets similar to the fuel gas inlet are usually provided between the first reaction gas flow path and the manifold for discharging the first reaction gas. is provided. In addition, a plurality of slit-like oxidizing gas outlets are provided between the second reaction gas flow path and the manifold for discharging the second reaction gas, similarly to the oxidizing gas inlet. Such a plurality of slit-shaped gas lead-out portions may be blocked by liquid such as water during scavenging for discharging moisture inside the fuel cell stack, for example.
本発明の一態様は、マニホールドとガス流路とを連通するスリット状の複数の連絡流路が、水などの液体によって閉塞されるのを抑制できる燃料電池セルを提供する。 One aspect of the present invention provides a fuel cell capable of suppressing clogging of a plurality of slit-like communication channels that communicate a manifold and a gas channel with a liquid such as water.
本発明の一態様は、マニホールドと、ガス流路と、該ガス流路と前記マニホールドとを連通するスリット状の複数の連絡流路とを備えた燃料電池セルであって、前記複数の連絡流路の前記マニホールドに隣接する端部を接続する接続部を備え、前記接続部は、前記マニホールドに連通していることを特徴とする燃料電池セルである。 One aspect of the present invention is a fuel cell comprising a manifold, a gas flow channel, and a plurality of slit-shaped communication flow channels communicating between the gas flow channel and the manifold, wherein the plurality of communication flow channels A fuel cell comprising a connection connecting an end of a channel adjacent said manifold, said connection communicating with said manifold.
上記一態様の燃料電池セルは、たとえば、ガス流路を形成する一対のセパレータと、これら一対のセパレータの間に配置される絶縁材および膜電極ガス拡散層接合体(Membrane-Electrode-Gas Diffusion Layer Assembly:MEGA)とを備えている。絶縁材は、たとえば、一対のセパレータに溶着され、一対のセパレータを接合する接合材としても機能する。 The fuel cell of the above aspect includes, for example, a pair of separators forming a gas flow path, and an insulating material and a membrane electrode gas diffusion layer assembly (Membrane-Electrode-Gas Diffusion Layer) disposed between the pair of separators. Assembly: MEGA). The insulating material is welded to the pair of separators, for example, and also functions as a joining material that joins the pair of separators.
一対のセパレータは、マニホールドを構成するマニホールド孔を有している。絶縁材は、たとえば、中央部にMEGAを配置するための開口部を有する枠状に形成され、周縁部にマニホールドを構成する複数のマニホールド開口部を有している。連絡流路は、たとえば、絶縁材の中央部の開口部と周縁部の各々のマニホールド開口部との間に形成された複数のスリット状の貫通孔または溝であり、絶縁材の中央部の開口部と周縁部のマニホールド開口部とを結ぶ方向に延びている。 A pair of separators has manifold holes forming a manifold. The insulating material is formed, for example, in a frame shape having an opening for arranging the MEGA in the center, and has a plurality of manifold openings forming manifolds in the peripheral edge. The communication flow path is, for example, a plurality of slit-like through holes or grooves formed between the opening in the central portion of the insulating material and the manifold openings in each of the peripheral portions, and the opening in the central portion of the insulating material. and the manifold openings in the peripheral edge.
一対のセパレータは、絶縁材およびMEGAの一方の面に沿う第1のガス流路と、絶縁材およびMEGAの他方の面に沿う第2のガス流路とを形成する。第1のガス流路の一端は、第1の反応ガスを供給する第1のマニホールドに、第1の連絡流路を介して連通している。第1のガス流路の他端は、MEGAでの反応に使用されなかった第1の反応ガスを排出する第2のマニホールドに、第2の連絡流路を介して連通している。 A pair of separators form a first gas flow path along one side of the insulating material and the MEGA and a second gas flow path along the other side of the insulating material and the MEGA. One end of the first gas channel communicates with the first manifold that supplies the first reaction gas via the first communication channel. The other end of the first gas channel communicates through a second communication channel with a second manifold that discharges the first reaction gas that has not been used in the reaction in MEGA.
第2のガス流路の一端は、第2の反応ガスを供給する第3のマニホールドに、第3の連絡流路を介して連通している。第2のガス流路の他端は、MEGAでの反応に使用されなかった第2の反応ガスを排出する第4のマニホールドに、第4の連絡流路を介して連通している。なお、第1の反応ガスと第2の反応ガスとしては、たとえば、燃料ガスと酸化剤ガスが用いられる。また、燃料ガスと酸化剤ガスとしては、たとえば、水素ガスと空気が用いられる。 One end of the second gas channel communicates with a third manifold that supplies the second reaction gas via a third communication channel. The other end of the second gas channel communicates through a fourth communication channel with a fourth manifold that discharges the second reaction gas that has not been used in the reaction in MEGA. For example, a fuel gas and an oxidant gas are used as the first reaction gas and the second reaction gas. Hydrogen gas and air, for example, are used as the fuel gas and the oxidant gas.
接続部は、たとえば、絶縁材に形成されたスリット状の貫通孔または溝であり、スリット状の複数の連絡流路を横断する方向に延び、スリット状の複数の連絡流路のマニホールドに隣接する端部を接続するとともに、マニホールドに連通している。より具体的には、接続部は、少なくとも、複数の連絡流路におけるガスの下流側の端部と、そのガス流路を流れたガスを排出するためのマニホールドとを連通する、複数の連絡流路のマニホールド側の端部に設けられる。また、接続部は、少なくとも、スリット状の複数の連絡流路におけるガスの下流側の端部を接続して、これら複数の連絡流路におけるガスの下流側の端部を互いに連通させるとともに、ガスを排出するためのマニホールドにも連通している。 The connecting portion is, for example, a slit-shaped through hole or groove formed in an insulating material, extends in a direction traversing the plurality of slit-shaped communication channels, and is adjacent to the manifold of the plurality of slit-shaped communication channels. It connects the ends and communicates with the manifold. More specifically, the connecting portion connects at least the downstream ends of the plurality of communication channels with a manifold for discharging the gas that has flowed through the plurality of communication channels. It is provided at the end of the path on the manifold side. In addition, the connection portion connects at least the downstream ends of the gas in the plurality of slit-shaped communication channels to communicate the downstream ends of the gas in the plurality of communication channels with each other, and the gas It also communicates with a manifold for discharging the
燃料電池セルは、たとえば、複数の燃料電池セルが積層されて燃料電池スタックを構成する。燃料電池スタックによる発電中は、燃料電池スタックの内部が適度な湿潤状態に保持される。そのため、燃料電池スタックによる発電を停止させたときに、燃料電池スタックを構成する燃料電池セルの内部や燃料電池スタックの管路に水分が残留し、その水分が低温環境で凍結するおそれがある。 A plurality of fuel cells are stacked to form a fuel cell stack, for example. During power generation by the fuel cell stack, the inside of the fuel cell stack is maintained in a moderately moist state. Therefore, when power generation by the fuel cell stack is stopped, water may remain inside the fuel cells constituting the fuel cell stack and in the pipes of the fuel cell stack, and the water may freeze in a low-temperature environment.
燃料電池スタックを構成する燃料電池セルの内部や管路で水分が凍結すると、燃料電池スタックによる発電を再開するときに、燃料ガスや酸化剤ガスなどの反応ガスの流れが阻害されて発電ができないおそれや、燃料電池セルが劣化するおそれがある。このような問題を回避するために、燃料電池スタックの発電を停止させた後に、燃料電池スタックに気体を送り込み、燃料電池スタックの運転により生じた水分を除去する掃気を行う場合がある。 If water freezes inside the fuel cells or in the pipelines that make up the fuel cell stack, when power generation by the fuel cell stack is restarted, the flow of reaction gases such as fuel gas and oxidant gas is obstructed, preventing power generation. Otherwise, the fuel cells may deteriorate. In order to avoid such a problem, scavenging may be performed to remove moisture generated by the operation of the fuel cell stack by feeding gas into the fuel cell stack after stopping the power generation of the fuel cell stack.
しかし、前記従来の燃料電池のセパレータ構造は、前述のように、第1反応ガス流路部と、第1反応ガスを排出するマニホールドとの間に、燃料ガス導入部と同様の複数のスリット状の燃料ガス導出部が設けられる。また、第2反応ガス流路部と、第2反応ガスを排出するマニホールドとの間に、酸化剤ガス導入部と同様の複数のスリット状の酸化剤ガス導出部が設けられる。このような複数のスリット状のガス導出部は、たとえば水分を除去する掃気時などに、気体の下流側の端部に水などの液体が滞留して閉塞されるおそれがある。 However, the separator structure of the conventional fuel cell has, as described above, a plurality of slit-shaped separators similar to the fuel gas introduction section between the first reaction gas flow path section and the manifold for discharging the first reaction gas. are provided. Further, a plurality of slit-like oxidizing gas outlets similar to the oxidizing gas inlets are provided between the second reaction gas flow path and the manifold for discharging the second reaction gas. Such a plurality of slit-shaped gas lead-out portions may be clogged with liquid such as water remaining at the downstream end portion of the gas during scavenging for removing moisture, for example.
これに対し、上記態様の燃料電池セルは、複数の連絡流路のマニホールドに隣接する端部を接続する接続部を備えている。さらに、接続部は、マニホールドに連通している。この場合、たとえば、水分を除去する掃気時などに、ガス流路に気体が送り込まれると、ガス流路の内部の水分が気体とともにスリット状の複数の連絡流路に流入する。このとき、水などの液体は、複数の連絡流路における気体の下流側の端部であるマニホールドに隣接する端部に到達すると、これら複数の連絡流路の端部を接続する接続部に流入し、接続部に連通するマニホールドに排出される。 On the other hand, the fuel cell of the aspect described above includes a connection portion that connects the ends of the plurality of communication channels adjacent to the manifold. Furthermore, the connection communicates with the manifold. In this case, for example, when gas is sent into the gas channel during scavenging to remove moisture, the moisture inside the gas channel flows into the plurality of slit-shaped communicating channels together with the gas. At this time, when the liquid such as water reaches the end adjacent to the manifold, which is the end of the plurality of communicating channels on the downstream side of the gas, it flows into the connecting portion connecting the ends of the plurality of communicating channels. and discharged to a manifold that communicates with the connection.
すなわち、複数の連絡流路のマニホールドに隣接する端部を接続するとともに、マニホールドに連通する接続部によって、複数の連絡流路のマニホールドに隣接する端部における水などの液体の滞留が抑制される。したがって、上記態様の燃料電池セルによれば、マニホールドとガス流路とを連通するスリット状の複数の連絡流路が、水などの液体によって閉塞されるのを抑制できる。 That is, by connecting the ends of the plurality of communicating channels adjacent to the manifold and communicating with the manifold, the retention of liquid such as water at the ends of the plurality of communicating channels adjacent to the manifold is suppressed. . Therefore, according to the fuel cell of the aspect described above, it is possible to prevent the plurality of slit-like communication channels that communicate between the manifold and the gas channel from being clogged by a liquid such as water.
上記態様の燃料電池セルは、前述のように、前記ガス流路を形成する一対のセパレータと、これら一対のセパレータの間に配置される絶縁材とを備え、前記一対のセパレータは、前記マニホールドを構成するマニホールド孔を有し、前記絶縁材は、前記マニホールドを構成するマニホールド開口部と、前記連絡流路および前記接続部を形成する貫通孔とを有し、前記連絡流路の延在方向において、前記絶縁材の前記マニホールド開口部に隣接する前記接続部の端縁は、前記一対のセパレータの前記マニホールド孔の開口縁の内側に位置していてもよい。 As described above, the fuel cell of the above aspect includes a pair of separators forming the gas flow path, and an insulating material disposed between the pair of separators. The insulating material has a manifold hole forming the manifold, the insulating material has a manifold opening forming the manifold, and a through hole forming the communication flow path and the connection portion, and in the extending direction of the communication flow path , The edge of the connecting portion adjacent to the manifold opening of the insulating material may be located inside the opening edges of the manifold holes of the pair of separators.
このような態様の燃料電池セルを積層させて燃料電池スタックを構成すると、複数の燃料電池セルの絶縁材に形成された貫通孔である接続部の少なくとも一部が、セパレータのマニホールド孔の開口縁の内側で、燃料電池セルの積層方向に隣接する。これにより、燃料電池セルの接続部に到達した水などの液体は、積層方向に互いに隣接する燃料電池セルの接続部に到達した水などの液体と結合して体積が増加し、重力によって下方へ移動しやすくなる。そのため、燃料電池セルのガス流路から排出され、スリット状の複数の連絡流路のマニホールドに隣接する端部を接続する接続部に到達した水などの液体を、マニホールドへ排出しやすくなる。したがって、マニホールドとガス流路とを連通するスリット状の複数の連絡流路が、水などの液体によって閉塞されるのを、より確実に抑制できる。 When a fuel cell stack is constructed by stacking fuel cells of such an aspect, at least a part of the connection portion, which is a through hole formed in the insulating material of the plurality of fuel cells, is aligned with the opening edge of the manifold hole of the separator. inside and adjacent in the stacking direction of the fuel cells. As a result, the liquid such as water that has reached the connection portion of the fuel cells combines with the liquid such as water that has reached the connection portion of the fuel cells that are adjacent to each other in the stacking direction, increases its volume, and moves downward due to gravity. Easier to move. Therefore, the liquid such as water that is discharged from the gas flow path of the fuel cell and has reached the connecting portion connecting the ends of the plurality of slit-shaped communication flow paths adjacent to the manifold can be easily discharged to the manifold. Therefore, it is possible to more reliably prevent the plurality of slit-shaped communication channels that communicate between the manifold and the gas channel from being clogged by liquid such as water.
上記一態様の燃料電池セルにおいて、前記スリット状の複数の連絡流路の断面積を変化させてもよい。これにより、スリット状の複数の前記連絡流路を流れる気体の流速を変化させることができ、気体を接続部の鉛直方向の下方へ集約させることができる。すなわち、掃気時の気体を鉛直方向の下方へより多く集中させ、接続部からより効果的に水などの液体を排出することができる。したがって、マニホールドとガス流路とを連通するスリット状の複数の連絡流路が、水などの液体によって閉塞されるのを、より確実に抑制できる。 In the fuel cell of one aspect described above, the cross-sectional areas of the plurality of slit-shaped communication channels may be varied. As a result, it is possible to change the flow velocity of the gas flowing through the plurality of slit-shaped communication channels, and to consolidate the gas downward in the vertical direction of the connecting portion. That is, more gas during scavenging can be concentrated downward in the vertical direction, and liquid such as water can be more effectively discharged from the connecting portion. Therefore, it is possible to more reliably prevent the plurality of slit-shaped communication channels that communicate between the manifold and the gas channel from being clogged by liquid such as water.
上記一態様の燃料電池セルにおいて、前記接続部は、鉛直方向における下端部が前記マニホールド開口部に接続されていてもよい。これにより、燃料電池セルの接続部に到達した水などの液体は、重力によって鉛直方向の下方へ流れ、接続部の鉛直方向における下端部からマニホールド開口部へ排出される。したがって、接続部からより効果的に水などの液体を排出することができ、マニホールドとガス流路とを連通するスリット状の複数の連絡流路が、水などの液体によって閉塞されるのを、より確実に抑制できる。 In the fuel cell of one aspect described above, the connection portion may be connected to the manifold opening at a lower end portion in the vertical direction. As a result, the liquid such as water that has reached the connecting portion of the fuel cell flows vertically downward due to gravity, and is discharged from the vertically lower end portion of the connecting portion to the manifold opening. Therefore, the liquid such as water can be more effectively discharged from the connecting portion, and the plurality of slit-shaped communication channels communicating between the manifold and the gas channel can be prevented from being clogged by the liquid such as water. can be suppressed more reliably.
上記一態様の燃料電池セルにおいて、前記接続部は、鉛直方向における上端部と下端部が前記マニホールド開口部に接続されていてもよい。これにより、燃料電池セルの接続部に到達した水などの液体が重力によって鉛直方向の下方へ流れるときに、マニホールド開口部から接続部の上端部へ気体が導入され、水などの液体がより円滑に接続部を流れて接続部の鉛直方向における下端部からマニホールド開口部へ排出される。したがって、接続部からより効果的に水などの液体を排出することができ、マニホールドとガス流路とを連通するスリット状の複数の連絡流路が、水などの液体によって閉塞されるのを、より確実に抑制できる。 In the fuel cell of the aspect described above, the connection portion may be connected to the manifold opening at an upper end portion and a lower end portion in the vertical direction. As a result, when a liquid such as water that reaches the connecting portion of the fuel cell flows vertically downward due to gravity, gas is introduced from the manifold opening to the upper end of the connecting portion, and the liquid such as water flows smoothly. flow through the connecting portion and is discharged from the lower end portion in the vertical direction of the connecting portion to the manifold opening. Therefore, the liquid such as water can be more effectively discharged from the connecting portion, and the plurality of slit-shaped communication channels communicating between the manifold and the gas channel can be prevented from being clogged by the liquid such as water. can be suppressed more reliably.
本発明の一態様によれば、マニホールドとガス流路とを連通するスリット状の複数の連絡流路が、水などの液体によって閉塞されるのを抑制可能な燃料電池セルを提供することができる。 According to one aspect of the present invention, it is possible to provide a fuel cell capable of suppressing clogging of a plurality of slit-like communication channels that connect a manifold and a gas channel with a liquid such as water. .
以下、図面を参照して本発明に係る燃料電池セルの実施の形態を説明する。 An embodiment of a fuel cell according to the present invention will be described below with reference to the drawings.
図1は、本発明の一実施形態に係る燃料電池セル1の平面図である。図2および図3は、それぞれ、図1に示す燃料電池セル1のマニホールドM2の近傍における拡大斜視図と、拡大平面図である。図4は、図3のIV-IV線に沿う燃料電池セル1の模式的な拡大断面図である。
FIG. 1 is a plan view of a
本実施形態の燃料電池セル1は、たとえば、第1のガス流路G1と第2のガス流路(図示省略)を形成する一対のセパレータ10,10と、これら一対のセパレータ10,10の間に配置される絶縁材20および膜電極ガス拡散層接合体(Membrane-Electrode-Gas Diffusion Layer Assembly:MEGA)30とを備えている。
The
一対のセパレータ10,10は、マニホールドM1~M6を構成する複数のマニホールド孔11~16を有している。セパレータ10は、たとえば、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やチタンなどの金属部材など、ガス遮断性および電子伝導性を有する素材によって作られている。
A pair of
絶縁材20は、たとえば、熱溶着が可能な可撓性を有するフィルム状の部材に打ち抜き加工を施すことによって、中央部にMEGA30を配置するための開口部20aを有する枠状に形成されている。絶縁材20は、たとえば、一対のセパレータ10,10に溶着され、一対のセパレータ10,10を接合する接合材としても機能する。
The insulating
絶縁材20は、周縁部にマニホールドM1~M6を構成する複数のマニホールド開口部21~26を有し、たとえば、中央部の開口部20aと周縁部のマニホールド開口部21~24の各々との間に、スリット状の複数の連絡流路27を有している。なお、図1においては、絶縁材20の中央部の開口部20aと周縁部のマニホールド開口部21,22の各々とを連通する連絡流路27のみを破線で示している。連絡流路27は、絶縁材20の周縁部に形成された複数のスリット状の貫通孔または溝であり、絶縁材20の周縁部のマニホールド開口部21,22から中央部の開口部20aへ向けて放射状に延びている。
The insulating
一対のセパレータ10,10のうち、表面側の一方のセパレータ10は、絶縁材20およびMEGA30の一方の面に沿う第1のガス流路G1を形成し、裏面側の他方のセパレータ10は、絶縁材およびMEGA30の他方の面に沿う第2のガス流路(図示省略)を形成する。なお、図1においては、一方のセパレータ10によって形成される第1のガス流路G1のみを破線で示し、第2のガス流路の図示を省略している。
Of the pair of
第1のガス流路G1の一端は、第1の反応ガスを供給する第1のマニホールドM1に、第1の連絡流路27を介して連通している。第1のガス流路G1の他端は、MEGA30での反応に使用されなかった第1の反応ガスを排出する第2のマニホールドM2に、第2の連絡流路27を介して連通している。
One end of the first gas channel G1 communicates via a
また、図示を省略するが、一対のセパレータ10,10のうち、裏面側の他方のセパレータ10によって形成される第2のガス流路の一端は、第2の反応ガスを供給する第3のマニホールドM3に、第1の連絡流路27と同様の第3の連絡流路を介して連通している。第2のガス流路の他端は、MEGA30での反応に使用されなかった第2の反応ガスを排出する第4のマニホールドM4に、第2の連絡流路27と同様の第4の連絡流路を介して連通している。
Also, although illustration is omitted, one end of the second gas flow path formed by the
なお、第1の反応ガスおよび第2の反応ガスとしては、たとえば、燃料ガスおよび酸化剤ガスが用いられる。また、燃料ガスおよび酸化剤ガスとしては、たとえば、水素ガスおよび空気が用いられる。 As the first reaction gas and the second reaction gas, for example, fuel gas and oxidant gas are used. Hydrogen gas and air, for example, are used as the fuel gas and the oxidant gas.
本実施形態の燃料電池セル1は、少なくとも、スリット状の複数の連絡流路27のマニホールドM2,M4に隣接する端部を接続する接続部28を備え、この接続部28がマニホールドM2,M4に連通していることを最大の特徴としている。
The
接続部28は、たとえば、絶縁材20に形成されたスリット状の貫通孔または溝であり、スリット状の複数の連絡流路27を横断する方向に延び、スリット状の複数の連絡流路27のマニホールドM2に隣接する端部を接続するとともに、マニホールドM2に連通している。
The connecting
より具体的には、接続部28は、少なくとも、ガス流路G1におけるガスの下流側の端部と、そのガス流路G1を流れたガスを排出するためのマニホールドM2とを連通する複数の連絡流路27の、マニホールドM2側の端部に設けられる。また、接続部28は、少なくとも、スリット状の複数の連絡流路27におけるガスの下流側の端部を接続して、これら複数の連絡流路27におけるガスの下流側の端部を互いに連通させるとともに、ガスを排出するためのマニホールドM2にも連通している。
More specifically, the
図4に示すように、燃料電池セル1は、第1のガス流路G1と第2のガス流路(図示省略)を形成する一対のセパレータ10,10と、これら一対のセパレータ10,10の間に配置される絶縁材20とを備えている。一対のセパレータ10,10は、マニホールドM2を構成するマニホールド孔12,12を有している。
As shown in FIG. 4, the
絶縁材20は、マニホールドM2を構成するマニホールド開口部22と、連絡流路27および接続部28を形成する貫通孔とを有している。図4に示す例では、連絡流路27の延在方向において、絶縁材20のマニホールド開口部22に隣接する接続部28の端縁28aが、一対のセパレータ10,10のマニホールド孔12,12の開口縁の内側に位置している。
The insulating
なお、図示は省略するが、燃料電池セル1において、スリット状の複数の連絡流路27の断面積を変化させ、複数の連絡流路27を流れる気体の流速を変化させるように構成してもよい。
Although illustration is omitted, in the
また、図3に示す燃料電池セル1において、スリット状の複数の連絡流路27のマニホールドM2に隣接する端部に設けられた接続部28は、鉛直方向Vにおける下端部がマニホールド開口部22に接続されている。より具体的には、接続部28は、鉛直方向Vにおける下端部が、絶縁材20に設けられた溝または貫通孔である接続路29を介して、マニホールド開口部22に接続されている。なお、接続部28は、鉛直方向Vにおける上端部と下端部が、たとえば、接続路29を介して、マニホールド開口部22に接続されていてもよい。
In the
以下、本実施形態の燃料電池セル1の作用について、従来の燃料電池セルとの対比に基づいて説明する。
Hereinafter, the operation of the
本実施形態の燃料電池セル1は、たとえば、複数の燃料電池セル1が積層されて燃料電池スタックを構成する。燃料電池スタックによる発電中には、たとえば、個々の燃料電池セル1に対して、第1のマニホールドM1を介して燃料ガスが供給され、第3のマニホールドM3を介して酸化剤ガスが供給される。
A plurality of
第1のマニホールドM1を介して燃料電池セル1に供給された燃料ガスは、第1の連絡流路27を介して第1のガス流路G1の一端に流入し、第1のガス流路G1の他端に向けて流れる過程で、MEGA30における酸化剤ガスとの反応に使用される。第3のマニホールドM3に供給された酸化剤ガスは、第3の連絡流路を介して第2のガス流路の一端に流入し、第2のガス流路の他端に向けて流れる過程で、MEGA30における燃料ガスとの反応に使用される。
The fuel gas supplied to the
MEGA30における酸化剤ガスとの反応に使用されず、第1のガス流路G1の他端に到達した燃料ガスは、スリット状の複数の第2の連絡流路27の流入し、スリット状の複数の連絡流路27の第2のマニホールドM2に隣接する端部を接続する接続部28に到達する。接続部28に到達した燃料ガスは、その接続部28に連通する第2のマニホールドM2に排出される。
The fuel gas that is not used for the reaction with the oxidizing gas in the
MEGA30における燃料ガスとの反応に使用されず、第2のガス流路の他端に到達した酸化剤ガスは、スリット状の複数の第4の連絡流路の流入し、スリット状の複数の連絡流路の第4のマニホールドM4に隣接する端部を接続する接続部に到達する。接続部に到達した酸化剤ガスは、その接続部に連通する第4のマニホールドM4に排出される。
The oxidant gas that has not been used for reaction with the fuel gas in the
このように、燃料電池スタックによる発電中には、燃料ガスと酸化剤ガスとの反応によって水が発生し、燃料電池スタックの内部が適度な湿潤状態に保持される。そのため、燃料電池スタックによる発電を停止させたときに、燃料電池スタックを構成する燃料電池セル1の内部や燃料電池スタックの管路に水分が残留し、その水分が低温環境で凍結するおそれがある。
In this way, during power generation by the fuel cell stack, water is generated by the reaction between the fuel gas and the oxidant gas, and the inside of the fuel cell stack is maintained in a moderately moist state. Therefore, when power generation by the fuel cell stack is stopped, water may remain inside the
燃料電池スタックを構成する燃料電池セル1の内部や管路で水分が凍結すると、燃料電池スタックによる発電を再開するときに、燃料ガスや酸化剤ガスなどの反応ガスの流れが阻害されて発電ができないおそれや、燃料電池セル1が劣化するおそれがある。このような問題を回避するために、燃料電池スタックの発電を停止させた後に、燃料電池スタックに気体を送り込み、燃料電池スタックの運転により生じた水分を除去する掃気を行う場合がある。
If water freezes inside the
図5および図6は、それぞれ、図2および図3に相当する、従来の燃料電池セル1XのマニホールドMXの近傍における拡大斜視図および拡大平面図である。従来の燃料電池のセパレータ構造は、第1反応ガス流路部GXと、第1反応ガスを排出するマニホールドMXとの間に、複数のスリット状の導出部27Xが設けられる。このような複数のスリット状のガス導出部27Xは、たとえば水分を除去する掃気時などに、気体の下流側の端部に水などの液体が滞留して閉塞されるおそれがある。
5 and 6 are an enlarged perspective view and an enlarged plan view of the vicinity of the manifold MX of the
これに対し、本実施形態の燃料電池セル1は、複数の連絡流路27のマニホールドM2に隣接する端部を接続する接続部28を備えている。さらに、接続部28は、マニホールドM2に連通している。そのため、水分を除去する掃気時などに、ガス流路G1に気体が送り込まれると、ガス流路G1の内部の水分が気体とともにスリット状の複数の連絡流路27に流入する。このとき、水などの液体は、複数の連絡流路27における気体の下流側の端部であるマニホールドM2に隣接する端部に到達すると、これら複数の連絡流路27の端部を接続する接続部28に流入し、接続部28からマニホールドM2に排出される。
On the other hand, the
すなわち、複数の連絡流路27のマニホールドM2に隣接する端部を接続するとともに、マニホールドM2に連通する接続部28によって、複数の連絡流路27のマニホールドM2に隣接する端部における水などの液体の滞留が抑制される。したがって、本実施形態の燃料電池セル1によれば、マニホールドM2とガス流路G1とを連通するスリット状の複数の連絡流路27が、水などの液体によって閉塞されるのを抑制できる。
That is, by connecting the ends of the plurality of
さらに、図4に示す例では、燃料電池セル1の連絡流路27の延在方向において、絶縁材20のマニホールド開口部22に隣接する接続部28の端縁28aが、一対のセパレータ10,10のマニホールド孔12,12の開口縁の内側に位置している。この場合、燃料電池セル1を積層させて燃料電池スタックを構成すると、複数の燃料電池セル1の絶縁材20に形成された貫通孔である接続部28の少なくとも一部が、セパレータ10のマニホールド孔12の開口縁の内側で、燃料電池セル1の積層方向に隣接する。
Furthermore, in the example shown in FIG. 4, the
これにより、燃料電池セル1の接続部28に到達した水などの液体は、積層方向に互いに隣接する燃料電池セル1の接続部28に到達した水などの液体と結合して体積が増加し、重力によって下方へ移動しやすくなる。そのため、燃料電池セル1のガス流路G1から排出され、スリット状の複数の連絡流路27のマニホールドに隣接する端部を接続する接続部28に到達した水などの液体を、マニホールドM2へ排出しやすくなる。したがって、マニホールドM2とガス流路G1とを連通するスリット状の複数の連絡流路27が、水などの液体によって閉塞されるのを、より確実に抑制できる。
As a result, the liquid such as water that has reached the connecting
また、燃料電池セル1において、スリット状の複数の連絡流路27の断面積を変化させ、複数の連絡流路27を流れる気体の流速を変化させるように構成されている場合には、気体を接続部28の鉛直方向Vの下方へ集約させることができる。すなわち、掃気時の気体を鉛直方向Vの下方へより多く集中させ、接続部28からより効果的に水などの液体を排出することができる。したがって、マニホールドM2とガス流路G1とを連通するスリット状の複数の連絡流路27が、水などの液体によって閉塞されるのを、より確実に抑制できる。
Further, in the
さらに、図3に示す例では、燃料電池セル1において、接続部28の鉛直方向Vにおける下端部がマニホールド開口部22に接続されている。この場合、燃料電池セル1の接続部28に到達した水などの液体は、重力によって鉛直方向Vの下方へ流れ、接続部28の鉛直方向Vにおける下端部からマニホールド開口部22へ排出される。したがって、接続部28からより効果的に水などの液体を排出することができ、マニホールドM2とガス流路G1とを連通するスリット状の複数の連絡流路27が、水などの液体によって閉塞されるのをより確実に抑制できる。
Furthermore, in the example shown in FIG. 3 , in the
なお、接続部28は、鉛直方向Vにおける上端部と下端部がマニホールド開口部22に接続されていてもよい。この場合、燃料電池セル1の接続部28に到達した水などの液体が重力によって鉛直方向Vの下方へ流れるときに、マニホールド開口部22から接続部28の上端部へ気体が導入され、水などの液体がより円滑に接続部28を流れて接続部28の鉛直方向Vにおける下端部からマニホールド開口部22へ排出される。したがって、接続部28からより効果的に水などの液体を排出することができ、マニホールドM2とガス流路G1とを連通するスリット状の複数の連絡流路27が、水などの液体によって閉塞されるのを、より確実に抑制できる。
The connecting
以上、図面を用いて本発明の実施の形態を詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。 Although the embodiments of the present invention have been described in detail above with reference to the drawings, the specific configuration is not limited to these embodiments, and design changes and the like may be made without departing from the gist of the present invention. are also included in the present invention.
1 燃料電池セル
27 連絡流路
28 接続部
G1 ガス流路
M2 マニホールド
1
Claims (1)
前記セパレータには、
前記一対のセパレータの周縁部に設けられてマニホールドを構成するマニホールド孔と、
前記一対のセパレータによって前記絶縁材および前記膜電極ガス拡散層接合体に沿って形成されるガス流路と、
が形成されており、
前記絶縁材には、
前記絶縁材の中央部に設けられ前記膜電極ガス拡散層接合体が配置される開口部と、
前記絶縁材の周縁部に設けられて前記マニホールドを構成するマニホールド開口部と、
前記絶縁材の前記中央部の前記開口部と前記マニホールド開口部との間に、前記ガス流路と前記マニホールドとを連通するスリット状の複数の連絡流路と、
が形成されており、
前記絶縁材には、スリット状の貫通孔または溝であり、かつ、前記複数の連絡流路の前記マニホールドに隣接する端部を接続する接続部がさらに形成されており、
前記燃料電池セルは、前記接続部が鉛直方向に沿って形成されるように、配置されるものであり、
前記接続部は、前記絶縁材の表面に沿う方向であり、かつ、前記複数の連絡流路に交差する方向である、鉛直方向に沿って延びており、
前記接続部は、前記鉛直方向における下端部が、前記絶縁材に設けられた溝または貫通孔である接続路を介して、前記マニホールドに連通していることを特徴とする燃料電池セル。 A fuel cell comprising a pair of separators and a frame-shaped insulating material and membrane electrode gas diffusion layer assembly disposed between the pair of separators ,
The separator has
a manifold hole that is provided at the peripheral edges of the pair of separators and constitutes a manifold;
a gas flow path formed by the pair of separators along the insulating material and the membrane electrode gas diffusion layer assembly;
is formed and
The insulating material includes:
an opening provided in the central portion of the insulating material and in which the membrane electrode gas diffusion layer assembly is arranged;
a manifold opening that is provided at the peripheral edge of the insulating material and constitutes the manifold;
a plurality of slit-like communication channels that communicate the gas channel and the manifold between the opening in the central portion of the insulating material and the manifold opening ;
is formed and
The insulating material is further formed with a connecting portion that is a slit-shaped through hole or groove and that connects ends of the plurality of communication channels adjacent to the manifold,
The fuel cell is arranged such that the connecting portion is formed along the vertical direction,
The connecting portion extends along a vertical direction, which is a direction along the surface of the insulating material and a direction intersecting the plurality of communication channels,
The fuel cell, wherein the connecting portion communicates with the manifold through a connecting path, which is a groove or a through hole provided in the insulating material, at the lower end portion in the vertical direction.
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