JPWO2007077863A1 - 燃料電池用セパレータおよび燃料電池 - Google Patents
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Abstract
Description
高分子電解質型燃料電池(以下、必要に応じて「PEFC」という。)は、水素が含有された燃料ガスと空気等の酸素が含有された酸化剤ガスとを燃料電池において電気化学反応させることにより、電力と熱とを同時に発生させる熱電併給装置である。
しかしながら、特許文献1〜4に記載されたセパレータをはじめとする従来のセパレータであっても、各流路溝の反応ガス流速のばらつきの低減、流路溝内に発生する凝縮水の排水性能の向上、流路溝からガス拡散電極への反応ガスのガス拡散性能の向上、流路溝の流路抵抗(圧損)の低減、反応ガス混合促進等のセパレータに求められる性能を充分に満足する最適な設計がなされているとは言い難く、特に複数の流路溝を合流させる反応ガスの合流領域の設計に未だ改良の余地があった。
上記課題を解決するため、本発明は、板状に形成され、かつ、少なくとも一方の主面に反応ガスが通流する反応ガス通流領域が、前記反応ガスが一方向に流れる複数の一様流れ部と、当該複数の一様流れ部の間に設けられ、前記反応ガスが折り返すように流れる1以上の折り返し部と、を有するサーペンタイン状に形成されており、
前記反応ガス通流領域には、
前記一様流れ部を少なくとも含んで形成されており、前記反応ガスが分流される流路溝群を有する複数の分流領域と、
前記1以上の折り返し部のうちの少なくとも1つに形成されており、前記反応ガスが混合するスペースとなる窪み部と、前記窪み部の底面から立設され島状に配置された複数の突起とを有しており、かつ、前記複数の分流領域のうちの隣り合う上流側の前記分流領域の流路溝群と下流側の前記流路領域の流路溝群との間に配置され、前記上流側の分流領域の流路溝群から流入する前記反応ガスを前記窪み部で合流させ、前記合流させた後の前記反応ガスを前記下流側の分流領域へ再び分流させる1以上の分流領域と、
が設けられており、
前記合流領域の前記窪み部に接続される前記上流側の前記分流領域と前記下流側の前記分流領域と、において、前記上流側の前記分流領域の前記流路溝群の溝数が、前記下流側の前記分流領域の前記流路溝群の溝数と同一になるように形成されており、
前記合流領域の前記窪み部は、当該窪み部が形成されている前記反応ガス通流領域の前記折り返し部において、前記窪み部に連通する前記一対の前記上流側の流路溝群および前記下流側の流路溝群との間の斜めの境界および前記折り返し部の外端により区画され、
前記主面の法線方向からみた場合、前記複数の突起は、1以上の前記突起が前記外端の延在方向に間隔を置いて連なる列を複数形成するとともに、1以上の前記突起が前記外端の延在方向に対し垂直な方向に間隔を置いて連なる段を複数形成するように配置されており、かつ、1つの前記段を構成する突起に案内されて前記外端の延在方向に進む反応ガスの流れが、前記1つの段に隣接する段を構成する突起により乱されるように構成されている、
燃料電池用セパレータを提供する。
外部から前記反応ガスを前記反応ガス通流領域に供給するガス入口マニホールドと、
前記反応ガス通流領域から排出されるガスを外部に排出するガス出口マニホールドと、
を有しており、
前記複数の分流領域のうちで最も上流側に配置される分流領域の前記一様流れ部が、前記ガス入口マニホールドに接続されていることが好ましい。
外部から前記反応ガスを前記反応ガス通流領域に供給するガス入口マニホールドと、
前記反応ガス通流領域から排出されるガスを外部に排出するガス出口マニホールドと、
を有しており、
前記複数の分流領域のうちで最も上流側に配置される分流領域が前記合流領域の形成されていない前記折り返し部を有しており、当該折り返し部が前記ガス入口マニホールドに接続されていてもよい。
前記複数の分流領域のうちで最も下流側に配置される分流領域が前記合流領域の形成されていない前記折り返し部を有しており、当該折り返し部が前記ガス出口マニホールドに接続されていてもよい。
前記反応ガス通流領域には、
前記一様流れ部を少なくとも含んで形成されており、前記反応ガスが分流される流路溝群を有する複数の分流領域と、
前記1以上の折り返し部のうちの少なくとも1つに形成されており、前記反応ガスが混合するスペースとなる窪み部と、前記窪み部の底面から立設され島状に配置された複数の突起とを有しており、かつ、前記複数の分流領域のうちの隣り合う上流側の前記分流領域の流路溝群と下流側の前記流路領域の流路溝群との間に配置され、前記上流側の分流領域の流路溝群から流入する前記反応ガスを前記窪み部で合流させ、前記合流させた後の前記反応ガスを前記下流側の分流領域へ再び分流させる1以上の分流領域と、
が設けられており、
前記合流領域の前記窪み部に接続される前記上流側の前記分流領域と前記下流側の前記分流領域とにおいて、前記上流側の前記分流領域の前記流路溝群の溝数が、前記下流側の前記分流領域の前記流路溝群の溝数と同一になるように形成されており、
前記合流領域の前記窪み部は、当該窪み部が形成されている前記反応ガス通流領域の前記折り返し部において、前記窪み部に連通する前記一対の前記上流側の流路溝群および前記下流側の流路溝群との間の斜めの境界および前記折り返し部の外端により区画され、
前記主面の法線方向からみた場合、
前記外端は、前記窪み部側に突出する外端突片を、その途中に形成するよう湾曲している、
燃料電池用セパレータを提供する。
アノードセパレータと、カソードセパレータと、前記アノードセパレータと前記カソードセパレータとの間に配置される膜電極接合体と、を有しており、
前記アノードセパレータと前記膜電極接合体と前記カソードセパレータとを含む積層単位を1以上有しており、
上述の本発明の燃料電池用セパレータが前記アノードセパレータ及び前記カソードセパレータとして組み込まれており、
前記アノードセパレータに供給される前記反応ガスが還元剤ガスであり、前記カソードセパレータに供給される前記反応ガスが酸化剤ガスである、
燃料電池を提供する。
斯かる構成によれば、アノードセパレータの分流領域を流れる還元剤ガスは、還元剤ガス消費を考慮すること、及び流路溝内の凝縮水過多によるフラッディングを抑制することにより、アノードセパレータの面内のほぼ全域において均等に近い状態でアノードセパレータ側の電極部の中を良好に拡散する。また、カソードセパレータの分流領域を流れる酸化剤ガスは、酸化剤ガス消費を考慮すること、及び流路溝内の凝縮水過多によるフラッディングを抑制することにより、カソードセパレータの面内のほぼ全域において均等に近い状態でカソードセパレータ側の電極部の中を良好に拡散する。そうすると、燃料電池による発電動作が、電極部の面内のほぼ全域で均一に近い状態で行われるようになる。
以上のように本発明によれば、流路溝内の凝縮水過多によるフラッディングを適切かつ充分に抑制できる燃料電池用セパレータ及び燃料電池が得られる。
1 MEA
2 アノードセパレータ
3 カソードセパレータ
4 ボルト孔
5 電極部
6 高分子電解質膜
6a 周縁部
10 燃料電池
12A、12B 燃料ガスマニホールド孔
13A、13B 酸化剤ガスマニホールド孔
14A、14B 水マニホールド孔
21 燃料ガス分流領域の集合体
21A 第1の燃料ガス分流領域
21B 第2の燃料ガス分流領域
21C 第3の燃料ガス分流領域
21D 第4の燃料ガス分流領域
22 燃料ガス合流領域の集合体
22A 第1の燃料ガス合流領域
22B 第2の燃料ガス合流領域
22C 第3の燃料ガス合流領域
25 燃料ガス流路溝(凹部)
26、36 凸部
27、37 円柱状突起
28、38 窪み部
28a、38a 底辺
28b、28c、38b、38c 斜辺
31 酸化剤ガス分流領域の集合体
31A 第1の酸化剤ガス分流領域
31B 第2の酸化剤ガス分流領域
31C 第3の酸化剤ガス分流領域
31D 第4の酸化剤ガス分流領域
31E 第5の酸化剤ガス分流領域
32 酸化剤ガス合流領域の集合体
32A 第1の酸化剤ガス合流領域
32B 第2の酸化剤ガス合流領域
32C 第3の酸化剤ガス合流領域
32D 第4の酸化剤ガス合流領域
35 酸化剤ガス流路溝(凹部)
40 端板
100 燃料電池スタック
101 燃料ガス通流領域
102 酸化剤ガス通流領域
201、202 領域
601、701 折り返し部
602、702 直線部(一様流れ部)
P1、P2、P3、P4 ピッチ
D1、D2、D3、D4 段差
W1、W2、W3、W4 幅
以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を参照しながら説明する。
本実施形態の突起27は、図2に示す如く略円柱形により形成されているが、突起27の形状はこれに限らず、略円柱形、略三角柱形および略四角柱形の中から選ばれる少なくとも一つの形態により形成すれば良い。また、突起27の立設方向に垂直な断面が、本実施形態の略真円柱形の他、後記の第2変形例で述べる如く楕円柱形であっても、このような突起は、本明細書における略円柱形であるものとする。
なお、この燃料ガス通流領域101の構成は後程詳しく説明する。
本実施形態の突起37は、上記突起27と同様、図6に示す如く略円柱形により形成されているが、突起37の形状はこれに限らず、略円柱形、略三角柱形および略四角柱形の中から選ばれる少なくとも一つの形態により形成すれば良い。
なお、この酸化剤ガス通流領域102の構成は後程詳しく説明する。
ここで、図2に示すように、第1の燃料ガス分流領域21Aは、サーペンタイン状の各燃料ガス流路溝25のうち、反応ガスが一方向に流れる3つの一様流れ部602(ここでは、反応ガスは直線状に流れており、以下、この部分を「直線部602」という)と、反応ガスが折り返すように流れる2つの折り返し部601とを組み合わせて形成されている。この第1の燃料ガス分流領域21Aにおいては、直線部602の燃料ガス流路溝25の溝数と、当該直線部602に接続される折り返し部601の燃料ガス流路溝25の溝数とが同数となるように、直線部602の燃料ガス流路溝25と折り返し部601の燃料ガス流路溝25とが連続に形成されている。
以上のようにして、燃料ガス分流領域の集合体21は、第1、第2および第3の燃料ガス合流領域22A、22B、22Cの各々を挟んで、第1、第2、第3および第4の燃料ガス分流領域21A、21B、21C、21Dに区分して構成されている。
次に、本件発明者等は、凝縮水および反応ガスからなる気液2相流を流すセパレータの合流領域の周辺(以下、「流路折り返し周辺部」という)をコンピュータ上にモデル化して、以下に詳述する熱流体シミュレーション技術を活用することにより、本実施形態で述べた、流路折り返し周辺部における円柱状突起38および突片38dの、フラッディング抑制効果を検証した。
<解析シミュレータ>
本流体シミュレーションは、熱流体解析汎用ソフトウェア『米国fluent社製の熱流体解析ソフト;「FLUENT」(登録商標)、バージョン:6.2.16』を使用にして実行された。
なお、このFLUENT(登録商標)では、有限体積法と称される離散化手法が使用されており、解析対象領域を所定の要素からなる細かい空間に区分して、これらの微細な要素間で授受される流体のつりあいを元に、流体の流れを支配する一般的な方程式を解いて、その結果が収束する迄、コンピュータによる反復演算がなされる。
<解析モデル>
ここでは、セパレータの流路折りし返し周辺部について、図5に示す如く、千鳥配置の円柱状突起および窪み部の底辺における突片を採用した解析モデル(以下、「実施形態の解析モデル」という)と、直交格子状配置の円柱状突起を採用した解析モデル(以下、「比較例の解析モデル」という)と、がモデリングされている。
<解析結果>
図11および図12は各々、上記各解析モデルによる各要素の流れデータを元に、コンピュータ上に出力された解析結果例を模写した図である。
すなわち、図11では、比較例の解析モデルについて、気液2相流の流れが定常状態に到達した時点の凝縮水(黒色)と反応ガス(無色)の分布状態が描かれ、図12では、実施形態の解析モデルについて、同じ類の図が描かれている。
比較例の解析モデル(図11)の、窪み部における上下に直交格子状に整列に配置された突起によれば、窪み部上流側のガス流路溝から送出される凝縮水の流れがこれらの突起により混合され、窪み部下流側のガス流路溝への凝縮水の分散をある程度行えることが確認された。しかしながら、窪み部下流側のガス流路溝の一部、例えば窪み部の下流側最下段のガス流路溝に、凝縮水が多めに流れ込み、これにより、当該溝が凝縮水により閉塞されつつある様子が、図11に示したシミュレーション結果により可視化されている。
これに対し、実施形態の解析モデル(図12)の、窪み部における上下に千鳥状に並んだ突起および底辺突片によれば、窪み部上流側のガス流路溝から送出される凝縮水の流れがこれらの突起および突片により充分に混合され、窪み部下流側のガス流路溝への凝縮水の分散が極めて良好であることが確認された。例えば、凝縮水が、窪み部の下流側の全てのガス流路溝間において略均等に分配されて流れている様子が、図12に示したシミュレーション結果により可視化されている。
以上に述べたシミュレーション結果により、実施形態の解析モデルを採用したセパレータ(カソードセパレータやアノードセパレータ)において、窪み部の下流側のガス流路溝内の凝縮水過多によるフラッディングが充分適切に抑制可能であることを検証できた。
本実施形態による流路折り返し周辺部の構成では、窪み部の底面に形成された千鳥配置の円柱状突起および窪み部の底辺に形成された突片の両方を採用した、ガス流路溝内への凝縮水均一分散にとって最適な設計がなされている。しなしながら、これらの一方のみの構造を採用した窪み部であっても、比較例の解析モデルに比べて、ガス流路溝内に凝縮水を均一に分散する効果があると、推定される。すなわち、千鳥状の円柱状突起および窪み部の底辺における突片の何れか一方の構造を用いたセパレータは、従来の比較例の解析モデル(図10)に倣ったセパレータに比べて、ガス流路溝内の凝縮水過多によるフラッディングを改善可能であると考えられる。
<流路折り返し周辺部(窪み部)の変形例>
ここまで、実施形態(図5、図9)において、複数の円柱状突起27、37が千鳥に規則的に並ぶように配置させた流路折り返し周辺部(窪み部)の突起配置例(以下、「千鳥配列」と略す)を述べた。また、比較例(図10)において、複数の円柱状突起47が直交格子状に並ぶように配置させた流路折り返し周辺部(窪み部)の突起配置例(以下、「格子配列」と略す)を述べた。
以下、格子配列の円柱状突起47に対しその形状等を部分的に変更することにより、比較例に比べてフラッディングの改善が図れる流路折り返し周辺部の第1、第2、第3および第4変形例を説明する。
また、千鳥配列の隣接する列の突起同士の間隔を、実施形態(図5、図9)に示した間隔より小さくした、流路折り返し周辺部の第5変形例を説明する。
なおここでは、以下の第1、第2、第3、第4および第5変形例は、アノードセパレータ2を例にして述べているが、カソードセパレータ3であっても、同様の議論が当て嵌まる。
〔第1変形例〕
図13は、第1変形例の流路折り返し周辺部の構成を平面視した図である。
図13によれば、燃料ガス流路溝75(凹部75)に連通する窪み部78は、流路折り返し周辺部の外端としての上下方向に延びる底辺78aと、上下流側の燃料ガス流路溝75との境界としての一対の斜辺78b、78cとにより、略三角形状に区画されている。そして、窪み部78の底面に立設された複数の島状の突起77は、底辺78aの延在方向(上下方向)およびこの延在方向に対し垂直な方向(凸部76の延長線上の左右方向)に互いの中心を一致させるよう、直交格子状に並んで配置されている。
突起77は、略円柱形、略三角柱形および略四角柱形の中から選ばれる少なくとも一つの形態により形成され、本変形例では、略円柱形または略四角柱形に形成された、合計14個の第1突起77aと、この第1突起77aより上下方向および左右方向の両方の幅寸法を大きくして、略円柱形または略四角柱形に形成された、合計14個の第2突起77bとが、交互に配置されている。
すなわち、図13に示す如く、上下および左右に隣接する突起77同士の形状が互いに異なるよう、上下方向および左右方向の幅寸法を違えた第1突起77aと第2突起77bとが、交互に配置されている。
このような突起77の配置構成によれば、上下方向および左右方向の幅寸法が小さい第1突起77aと上下方向および左右方向の幅寸法が大きい第2突起77bとを左右方向および上下方向に交互に配置させたことにより、第1突起77aと第2突起77bとの間の中心301を上下方向や左右方向に結ぶライン(このラインの一例として中心301を結ぶ点線を図13で例示)は、燃料ガスと凝縮水からなる気液2相流が流れる隙間(第1突起77aと第2突起77bとの間の格子状溝)の長手方向においてジグザグに曲がることになる。
言い換えれば、互いに隣接して1つの段を構成するように並んだ一対の突起77間の中心301を通り、かつ底辺78aの延在方向に平行な仮想線511(仮想直線)を引いた場合、これらの一対の突起77に対して底辺78aの延在方向において隣接する一対の突起77間の中心が、この仮想線511から底辺78aの延在方向に対し垂直な方向に偏倚している。また、互いに隣接して1つの列を構成するように並んだ一対の突起77間の中心301を通り、かつ底辺78aの延在方向に対し垂直な仮想線512(仮想直線)を引いた場合、これらの一対の突起77に対して底辺78aの延在方向に対し垂直な方向において隣接する一対の突起77間の中心が、この仮想線512から底辺78aの延在方向に偏倚している。
これにより、気液2相流が窪み部78の左右方向および上下方向の隙間を流れる際に、気液2相流は、当該気液2相流の流れは屈曲して乱され、当該隙間を簡単にすり抜けることを抑制される。
このため、このような燃料ガスの屈曲流れにより、燃料ガス混合が比較例よりも促進される。また、凝縮水の屈曲流れにより、下流側の燃料ガス流路溝75内の凝縮水過多によるフラッディングが比較例よりも抑制される。更に、第1突起77aおよび第2突起77bの個数や位置を、各列および各段について適切に設定することにより、窪み部78内の燃料ガス流路抵抗を、燃料ガス流速を均一にするよう調整できる。
〔第2変形例〕
図14は、第2変形例の流路折り返し周辺部の構成を平面視した図である。
図14によれば、燃料ガス流路溝85(凹部85)に連通する窪み部88は、流路折り返し周辺部の外端としての上下方向に延びる底辺88aと、上下流側の燃料ガス流路溝85との境界としての一対の斜辺88b、88cとにより、略三角形状に区画されている。そして、窪み部88の底面に立設された複数の島状の突起87は、底辺88aの延在方向(上下方向)およびこの延在方向に対し垂直な方向(凸部86の延長線上の左右方向)に互いの中心を一致させるよう、直交格子状に並んで配置されている。
突起87は、略円柱形、略三角柱形および略四角柱形の中から選ばれる少なくとも一つの形態により形成され、本変形例では、略円柱形または略四角柱形に形成された、合計14個の第1突起87aと、この第1突起87aより左右方向の幅寸法を大きくして、略円柱形(ここでは楕円柱形)に形成された、合計14個の第2突起87bと、が交互に配置されている。
すなわち、図14に示す如く、上下および左右に隣接する突起87同士の形状が異なるよう、左右方向の幅寸法を違えた第1突起87aと第2突起87bとが交互に配置されている。
このような突起87の配置構成によれば、左右方向の幅寸法が小さい第1突起87aと左右方向の幅寸法(長軸の長さ)が大きい第2突起87bとを左右方向および上下方向に交互に配置させたことにより、第1突起87aと第2突起87bとの間の中心302を上下方向に結ぶライン(このラインの一例として中心302を結ぶ点線を図14で例示)は、燃料ガスと凝縮水からなる気液2相流が流れる隙間(第1突起87aと第2突起87bとの間の格子状溝)の長手方向においてジグザグに曲がることになる。
言い換えれば、互いに隣接して1つの段を構成するように並んだ一対の突起87間の中心302を通り、かつ底辺88aの延在方向に平行な仮想線521(仮想直線)を引いた場合、これらの一対の突起87に対して底辺88aの延在方向において隣接する一対の突起87間の中心が、この仮想線521から底辺88aの延在方向に対し垂直な方向に偏倚している。
これにより、気液2相流が窪み部88の上下方向の隙間を流れる際に、気液2相流は、当該気液2相流の流れは屈曲して乱され、当該隙間を簡単にすり抜けることを抑制される。
このため、このような燃料ガスの屈曲流れにより、燃料ガス混合が比較例よりも促進される。また、凝縮水の屈曲流れにより、下流側の燃料ガス流路溝85内の凝縮水過多によるフラッディングが比較例よりも抑制される。更に、第1突起87aおよび第2突起87bの個数や位置を各列について適切に設定することにより、窪み部88内の燃料ガス流路抵抗を、燃料ガス流速を均一にするよう調整できる。
〔第3変形例〕
図15は、第3変形例の流路折り返し周辺部の構成を平面視した図である。
図15によれば、燃料ガス流路溝95(凹部95)に連通する窪み部98は、流路折り返し周辺部の外端としての上下方向に延びる底辺98aと、上下流側の燃料ガス流路溝95との境界としての一対の斜辺98b、98cとにより、略三角形状に区画されている。そして、窪み部98の底面に立設された複数の島状の突起97は、底辺98aの延在方向(上下方向)およびこの延在方向に対し垂直な方向(凸部96の延長線上の左右方向)に互いの中心を一致させるよう、直交格子状に並んで配置されている。
突起97は、略円柱形、略三角柱形および略四角柱形の中から選ばれる少なくとも一つの形態により形成され、本変形例では、略円柱形または略四角柱形に形成された、合計14個の第1突起97aと、この第1突起97aと同一形状の基部401と、この基部401の側面の一部分から右方向(底辺98aの方向)に飛び出る突部402とを有して左右方向の幅寸法を大きくして同方向に非対称に形成された、合計14個の第2突起97bと、交互に配置されている。
すなわち、図15に示す如く、上下および左右に隣接する突起97同士の形状が異なるように、左右方向の幅寸法を違えた第1突起97aと第2突起97bとが交互に配置されている。
このような突起97の配置構成によれば、左右方向の幅寸法が小さい第1突起97aと左右方向の幅寸法が大きい第2突起97bとを左右方向および上下方向に交互に配置させたことにより、第1突起97aと第2突起97bとの間の中心303を上下方向に結ぶライン(このラインの一例として中心303を結ぶ点線を図15で例示)は、燃料ガスと凝縮水からなる気液2相流が流れる隙間(第1突起97aと第2突起97bとの間の格子状溝)の長手方向においてジグザグに曲がることになる。
言い換えれば、互いに隣接して1つの段を構成するように並んだ一対の突起97間の中心303を通り、かつ底辺98aの延在方向に平行な仮想線531(仮想直線)を引いた場合、これらの一対の突起97に対して底辺98aの延在方向において隣接する一対の突起97間の中心が、この仮想線531から底辺98aの延在方向に対し垂直な方向に偏倚している。
これにより、気液2相流が窪み部98の上下方向の隙間を流れる際に、気液2相流は、当該気液2相流の流れは屈曲して乱され、当該隙間を簡単にすり抜けることを抑制される。
このため、このような燃料ガスの屈曲流れにより、燃料ガス混合が比較例よりも促進される。また、凝縮水の屈曲流れにより、下流側の燃料ガス流路溝95内の凝縮水過多によるフラッディングが比較例よりも抑制される。更に、第1突起97aおよび第2突起97bの個数や位置を各列について適切に設定することにより、窪み部98内の燃料ガス流路抵抗を、燃料ガス流速を均一にするよう調整できる。
〔第4変形例〕
図16は、第4変形例の流路折り返し周辺部の構成を平面視した図である。
図16によれば、燃料ガス流路溝105(凹部105)に連通する窪み部108は、流路折り返し周辺部の外端としての上下方向に延びる底辺108aと、上下流側の燃料ガス流路溝105との境界としての一対の斜辺108b、108cとにより、略三角形状に区画されている。そして、窪み部108の底面に立設された複数の島状の突起107は、底辺108aの延在方向(上下方向)およびこの延在方向に対し垂直な方向(凸部106の延長線上の左右方向)に互いの中心を一致させるよう、直交格子状に並んで配置されている。
突起107は、略円柱形、略三角柱形および略四角柱形の中から選ばれる少なくとも一つの形態により形成され、本変形例では、略円柱形または略四角柱形に形成され、第1列目を構成する4個の第1突起107aと、この第1突起107aより上下方向および左右方向の両方の幅寸法を大きくして、略円柱形または略四角柱形に形成され、第2列目を構成する6個の第2突起107bと、この第2突起107bより上下方向および左右方向の両方の幅寸法を大きくして、略円柱形または略四角柱形に形成され、第3列目を構成する8個の第3突起107cと、この第3突起107cより上下方向および左右方向の両方の幅寸法を大きくして、略円柱形または略四角柱形に形成され、第4列目を構成する10個の第4突起107dと、がある。
図16に示す如く、第2段目〜第9段目の右(凸部106の側)から左(底辺108aの側)に向かうに連れて、突起107の形状が大きくなるよう、上下方向および左右方向の幅寸法を違えた、第1突起107aと、第2突起107bと、第3突起107cと、第4突起107dとが、適宜選別され配置されている。
例えば、第4段目の左右方向には、凸部106に隣接する第1突起107aと、この第1突起107aに隣接する第2突起107bと、この第2突起107bに隣接する第3突起107cと、この第3突起107cおよび底辺108aに隣接する第4突起107dとが、この順番に隣接するよう、並んで配置されている。
なお、第4段目以外の突起107の配置形態の詳細については、以上に述べた説明および図16を参酌すれば容易に理解可能であることから、ここでは、その詳細な説明は省く。
このような突起107の配置構成によれば、右から左に向かうに連れて、上下方向および左右方向の幅寸法が大きくなる突起107を配置させたことにより、燃料ガスの流速に応じて突起107同士の距離、突起107および底面108a間の距離、突起107および凸部106間の距離を適切に変更することができる。
〔第5変形例〕
図17は、第5変形例の流路折り返し周辺部の構成を平面視した図である。
図17によれば、燃料ガス流路溝115(凹部115)に連通する窪み部118は、流路折り返し周辺部の外端としての上下方向に直線状に延びる底辺118aと、上下流側の燃料ガス流路溝115との境界としての一対の斜辺118b、118cとにより、略三角形状に区画されている。
言い換えれば、互いに隣接して1つの段を構成するように並んだ一対の突起177間の中心303を通り、かつ底辺78aの延在方向に平行な仮想線501(仮想直線)を引いた場合、これらの一対の突起117に対して底辺78aの延在方向において隣接する一対の突起117間の中心が、この仮想線501から底辺78aの延在方向に対し垂直な方向に偏倚している。なお、この偏倚量は、同じ段の突起117間のピッチP5の略1/4ピッチ分に相当する。すなわち、これらの突起117aおよび突起117bは、左右に上記略1/4ピッチを隔て、かつ上下に凹部115の幅分隔てて、交互に配置されている。上記偏倚量が、突起117のピッチP2の半分にまで達すれば、本変形例の突起配列パターンは、図5に示した配列と同じ類のパターンになる。
このように偏倚された突起117によれば、気液2相流が窪み部118を上下に向かう際に、気液2相流が突起117間の隙間を簡単にすり抜けることを抑え、気液2相流が複数回に亘り適正に突起117に当たってその流れが乱れ、これにより、窪み部118の下流側の燃料ガス流路溝115内の凝縮水過多によるフラッディングを抑制可能である。
上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造及び/又は機能の詳細を実質的に変更できる。
本発明による燃料電池用セパレータは、凝縮水過多によるフラッディングを改善でき、例えば、高分子電解質型燃料電池にこのセパレータを適用できる。
前記反応ガス通流領域には、
前記一様流れ部を少なくとも含んで形成されており、前記反応ガスが分流される流路溝群を有する複数の分流領域と、
前記1以上の折り返し部のうちの少なくとも1つに形成されており、前記反応ガスが混合するスペースとなる窪み部と、前記窪み部の底面から立設され島状に配置された複数の突起とを有しており、かつ、前記複数の分流領域のうちの隣り合う上流側の前記分流領域の流路溝群と下流側の前記流路領域の流路溝群との間に配置され、前記上流側の分流領域の流路溝群から流入する前記反応ガスを前記窪み部で合流させ、前記合流させた後の前記反応ガスを前記下流側の分流領域へ再び分流させる1以上の合流領域と、
が設けられており、
前記合流領域の前記窪み部に接続される前記上流側の前記分流領域と前記下流側の前記分流領域と、において、前記上流側の前記分流領域の前記流路溝群の溝数が、前記下流側の前記分流領域の前記流路溝群の溝数と同一になるように形成されており、
前記合流領域の前記窪み部は、当該窪み部が形成されている前記反応ガス通流領域の前記折り返し部において、前記窪み部に連通する前記一対の前記上流側の流路溝群および前記下流側の流路溝群との間の斜めの境界および前記折り返し部の外端により区画され、
前記主面の法線方向からみた場合、前記複数の突起は、1以上の前記突起が前記外端の延在方向に間隔を置いて連なる列を複数形成するとともに、1以上の前記突起が前記外端の延在方向に対し垂直な方向に間隔を置いて連なる段を複数形成するように配置されており、かつ、1つの前記段を構成する突起に案内されて前記外端の延在方向に進む反応ガスの流れが、前記1つの段に隣接する段を構成する突起により乱されるように構成されている、
燃料電池用セパレータを提供する。
外部から前記反応ガスを前記反応ガス通流領域に供給するガス入口マニホールドと、
前記反応ガス通流領域から排出されるガスを外部に排出するガス出口マニホールドと、
を有しており、
前記複数の分流領域のうちで最も上流側に配置される分流領域の前記一様流れ部が、前記ガス入口マニホールドに接続されていることが好ましい。
外部から前記反応ガスを前記反応ガス通流領域に供給するガス入口マニホールドと、
前記反応ガス通流領域から排出されるガスを外部に排出するガス出口マニホールドと、
を有しており、
前記複数の分流領域のうちで最も上流側に配置される分流領域が前記合流領域の形成されていない前記折り返し部を有しており、当該折り返し部が前記ガス入口マニホールドに接続されていてもよい。
前記複数の分流領域のうちで最も下流側に配置される分流領域が前記合流領域の形成されていない前記折り返し部を有しており、当該折り返し部が前記ガス出口マニホールドに接続されていてもよい。
前記反応ガス通流領域には、
前記一様流れ部を少なくとも含んで形成されており、前記反応ガスが分流される流路溝群を有する複数の分流領域と、
前記1以上の折り返し部のうちの少なくとも1つに形成されており、前記反応ガスが混合するスペースとなる窪み部と、前記窪み部の底面から立設され島状に配置された複数の突起とを有しており、かつ、前記複数の分流領域のうちの隣り合う上流側の前記分流領域の流路溝群と下流側の前記流路領域の流路溝群との間に配置され、前記上流側の分流領域の流路溝群から流入する前記反応ガスを前記窪み部で合流させ、前記合流させた後の前記反応ガスを前記下流側の分流領域へ再び分流させる1以上の合流領域と、
が設けられており、
前記合流領域の前記窪み部に接続される前記上流側の前記分流領域と前記下流側の前記分流領域とにおいて、前記上流側の前記分流領域の前記流路溝群の溝数が、前記下流側の前記分流領域の前記流路溝群の溝数と同一になるように形成されており、
前記合流領域の前記窪み部は、当該窪み部が形成されている前記反応ガス通流領域の前記折り返し部において、前記窪み部に連通する前記一対の前記上流側の流路溝群および前記下流側の流路溝群との間の斜めの境界および前記折り返し部の外端により区画され、
前記主面の法線方向からみた場合、
前記外端は、前記窪み部側に突出する外端突片を、その途中に形成するよう湾曲している、
燃料電池用セパレータを提供する。
アノードセパレータと、カソードセパレータと、前記アノードセパレータと前記カソードセパレータとの間に配置される膜電極接合体と、を有しており、
前記アノードセパレータと前記膜電極接合体と前記カソードセパレータとを含む積層単位を1以上有しており、
上述の本発明の燃料電池用セパレータが前記アノードセパレータ及び前記カソードセパレータとして組み込まれており、
前記アノードセパレータに供給される前記反応ガスが還元剤ガスであり、前記カソードセパレータに供給される前記反応ガスが酸化剤ガスである、
燃料電池を提供する。
本流体シミュレーションは、熱流体解析汎用ソフトウェア『米国fluent社製の熱流体解析ソフト;「FLUENT」(登録商標)、バージョン:6.2.16』を使用にして実行された。
<解析モデル>
ここでは、セパレータの流路折りし返し周辺部について、図5に示す如く、千鳥配置の円柱状突起および窪み部の底辺における突片を採用した解析モデル(以下、「実施形態の解析モデル」という)と、直交格子状配置の円柱状突起を採用した解析モデル(以下、「比較例の解析モデル」という)と、がモデリングされている。
<解析結果>
図11および図12は各々、上記各解析モデルによる各要素の流れデータを元に、コンピュータ上に出力された解析結果例を模写した図である。
ここまで、実施形態(図5、図9)において、複数の円柱状突起27、37が千鳥に規則的に並ぶように配置させた流路折り返し周辺部(窪み部)の突起配置例(以下、「千鳥配列」と略す)を述べた。また、比較例(図10)において、複数の円柱状突起47が直交格子状に並ぶように配置させた流路折り返し周辺部(窪み部)の突起配置例(以下、「格子配列」と略す)を述べた。
図13は、第1変形例の流路折り返し周辺部の構成を平面視した図である。
図14は、第2変形例の流路折り返し周辺部の構成を平面視した図である。
図15は、第3変形例の流路折り返し周辺部の構成を平面視した図である。
図16は、第4変形例の流路折り返し周辺部の構成を平面視した図である。
図17は、第5変形例の流路折り返し周辺部の構成を平面視した図である。
図17によれば、燃料ガス流路溝115(凹部115)に連通する窪み部118は、流路折り返し周辺部の外端としての上下方向に直線状に延びる底辺118aと、上下流側の燃料ガス流路溝115との境界としての一対の斜辺118b、118cとにより、略三角形状に区画されている。
2 アノードセパレータ
3 カソードセパレータ
4 ボルト孔
5 電極部
6 高分子電解質膜
6a 周縁部
10 燃料電池
12A、12B 燃料ガスマニホールド孔
13A、13B 酸化剤ガスマニホールド孔
14A、14B 水マニホールド孔
21 燃料ガス分流領域の集合体
21A 第1の燃料ガス分流領域
21B 第2の燃料ガス分流領域
21C 第3の燃料ガス分流領域
21D 第4の燃料ガス分流領域
22 燃料ガス合流領域の集合体
22A 第1の燃料ガス合流領域
22B 第2の燃料ガス合流領域
22C 第3の燃料ガス合流領域
25 燃料ガス流路溝(凹部)
26、36 凸部
27、37 円柱状突起
28、38 窪み部
28a、38a 底辺
28b、28c、38b、38c 斜辺
31 酸化剤ガス分流領域の集合体
31A 第1の酸化剤ガス分流領域
31B 第2の酸化剤ガス分流領域
31C 第3の酸化剤ガス分流領域
31D 第4の酸化剤ガス分流領域
31E 第5の酸化剤ガス分流領域
32 酸化剤ガス合流領域の集合体
32A 第1の酸化剤ガス合流領域
32B 第2の酸化剤ガス合流領域
32C 第3の酸化剤ガス合流領域
32D 第4の酸化剤ガス合流領域
35 酸化剤ガス流路溝(凹部)
40 端板
100 燃料電池スタック
101 燃料ガス通流領域
102 酸化剤ガス通流領域
201、202 領域
601、701 折り返し部
602、702 直線部(一様流れ部)
P1、P2、P3、P4 ピッチ
D1、D2、D3、D4 段差
W1、W2、W3、W4 幅
Claims (24)
- 板状に形成され、かつ、少なくとも一方の主面に反応ガスが通流する反応ガス通流領域が、前記反応ガスが一方向に流れる複数の一様流れ部と、当該複数の一様流れ部の間に設けられ、前記反応ガスが折り返すように流れる1以上の折り返し部と、を有するサーペンタイン状に形成されており、
前記反応ガス通流領域には、
前記一様流れ部を少なくとも含んで形成されており、前記反応ガスが分流される流路溝群を有する複数の分流領域と、
前記1以上の折り返し部のうちの少なくとも1つに形成されており、前記反応ガスが混合するスペースとなる窪み部と、前記窪み部の底面から立設され島状に配置された複数の突起とを有しており、かつ、前記複数の分流領域のうちの隣り合う上流側の前記分流領域の流路溝群と下流側の前記流路領域の流路溝群との間に配置され、前記上流側の分流領域の流路溝群から流入する前記反応ガスを前記窪み部で合流させ、前記合流させた後の前記反応ガスを前記下流側の分流領域へ再び分流させる1以上の分流領域と、
が設けられており、
前記合流領域の前記窪み部に接続される前記上流側の前記分流領域と前記下流側の前記分流領域と、において、前記上流側の前記分流領域の前記流路溝群の溝数が、前記下流側の前記分流領域の前記流路溝群の溝数と同一になるように形成されており、
前記合流領域の前記窪み部は、当該窪み部が形成されている前記反応ガス通流領域の前記折り返し部において、前記窪み部に連通する前記一対の前記上流側の流路溝群および前記下流側の流路溝群との間の斜めの境界および前記折り返し部の外端により区画され、
前記主面の法線方向からみた場合、前記複数の突起は、1以上の前記突起が前記外端の延在方向に間隔を置いて連なる列を複数形成するとともに、1以上の前記突起が前記外端の延在方向に対し垂直な方向に間隔を置いて連なる段を複数形成するように配置されており、かつ、1つの前記段を構成する突起に案内されて前記外端の延在方向に進む反応ガスの流れが、前記1つの段に隣接する段を構成する突起により乱されるように構成されている、燃料電池用セパレータ。 - 前記主面の略法線方向からみた場合、前記合流領域の前記窪み部と当該窪み部に接続されている上流側の前記分流領域及び下流側の前記分流領域との境界が、前記外端を底辺とし、前記底辺の両端から前記窪み部に接続される上流側の前記分流領域と当該窪み部に接続される下流側の前記分流領域との境界線上近傍に位置する頂点に向けて弓形に突出した形状となるように形成されている、請求項1記載の燃料電池用セパレータ。
- 前記弓形に突出した形状が略三角形状である請求項2記載の燃料電池用セパレータ。
- 前記弓形に突出した形状が略半円形状である請求項2記載の燃料電池用セパレータ。
- 前記分流領域が、前記一様流れ部と前記折り返し部とを含んで形成されており、かつ、前記一様流れ部の流路溝の溝数と、当該一様流れ部に接続される前記折り返し部の流路溝の溝数とが同数となるように形成されている、請求項1記載の燃料電池用セパレータ。
- 外部から前記反応ガスを前記反応ガス通流領域に供給するガス入口マニホールドと、
前記反応ガス通流領域から排出されるガスを外部に排出するガス出口マニホールドと、
を有しており、
前記複数の分流領域のうちで最も上流側に配置される分流領域の前記一様流れ部が、前記ガス入口マニホールドに接続されている、
請求項1記載の燃料電池用セパレータ。 - 前記複数の分流領域のうちで最も下流側に配置される分流領域の前記一様流れ部が、前記ガス出口マニホールドに接続されている、請求項6記載の燃料電池用セパレータ。
- 前記複数の分流領域のうちで最も下流側に配置される分流領域が前記合流領域の形成されていない前記折り返し部を有しており、当該折り返し部が前記ガス出口マニホールドに接続されている、請求項6記載の燃料電池用セパレータ。
- 外部から前記反応ガスを前記反応ガス通流領域に供給するガス入口マニホールドと、
前記反応ガス通流領域から排出されるガスを外部に排出するガス出口マニホールドと、を有しており、
前記複数の分流領域のうちで最も上流側に配置される分流領域が前記合流領域の形成されていない前記折り返し部を有しており、当該折り返し部が前記ガス入口マニホールドに接続されている、
請求項1記載の燃料電池用セパレータ。 - 前記複数の分流領域のうちで最も下流側に配置される分流領域の前記一様流れ部が、前記ガス出口マニホールドに接続されている、請求項9記載の燃料電池用セパレータ。
- 前記複数の分流領域のうちで最も下流側に配置される分流領域が前記合流領域の形成されていない前記折り返し部を有しており、当該折り返し部が前記ガス出口マニホールドに接続されている、請求項9記載の燃料電池用セパレータ。
- 前記主面の略法線方向からみた場合、前記分流領域に対応する前記セパレータの表面には、前記流路溝群を横断する方向において、均等幅、均等ピッチかつ均等段差の複数の凹部と、均等幅、均等ピッチかつ均等段差の複数の凸部と、により構成される凹凸パターンが形成され、
前記凹部は前記流路溝群の流路溝であり、前記凸部は前記主面に当接する電極部を支持するリブであり、
前記複数の突起が、前記リブの延長線上に配置されている、請求項1記載の燃料電池用セパレータ。 - 前記主面の略法線方向からみた場合、互いに隣接して1つの段を構成するように並んだ一対の突起間の中心を通り、かつ前記外端の延在方向に平行な仮想線を引いた場合、前記一対の突起に対し前記延在方向において隣接する一対の突起間の中心が、前記仮想線から前記延在方向に対し垂直な方向に偏倚している、請求項1記載の燃料電池用セパレータ。
- 前記複数の突起は、各々の前記列が1つ置きの前記段を構成する前記突起で構成されている、請求項13記載の燃料電池用セパレータ。
- 各々の前記突起が略円柱形に形成されている場合、前記突起は各段において、前記突起の円形断面の略直径分の間隔を開けて配置され、前記突起は各列において、略直径分の3倍分の間隔を開けて配置されている、請求項14記載の燃料電池用セパレータ。
- 前記突起は、略円柱形、略三角柱形及び略四角柱形の中から選ばれる少なくとも一種の形状を有している、請求項13乃至15の何れかに記載の燃料電池用セパレータ。
- 前記主面の略法線方向からみた場合、前記延在方向及び/または前記垂直な方向の幅寸法を違えた、第1突起及び第2突起が前記外端の延在方向に対し垂直な方向に間隔を置いて連なる段を複数形成するように配置されている、請求項1記載の燃料電池用セパレータ。
- 前記第1突起及び第2突起は、略円柱形、略三角柱形及び略四角柱形の中から選ばれる少なくとも一種の形状を有している、請求項17記載の燃料電池用セパレータ。
- 板状に形成され、かつ、少なくとも一方の主面に反応ガスが通流する反応ガス通流領域が、前記反応ガスが一方向に流れる複数の一様流れ部と、当該複数の一様流れ部の間に設けられ、前記反応ガスが折り返すように流れる1以上の折り返し部と、を有するサーペンタイン状に形成されており、
前記反応ガス通流領域には、
前記一様流れ部を少なくとも含んで形成されており、前記反応ガスが分流される流路溝群を有する複数の分流領域と、
前記1以上の折り返し部のうちの少なくとも1つに形成されており、前記反応ガスが混合するスペースとなる窪み部と、前記窪み部の底面から立設され島状に配置された複数の突起とを有しており、かつ、前記複数の分流領域のうちの隣り合う上流側の前記分流領域の流路溝群と下流側の前記流路領域の流路溝群との間に配置され、前記上流側の分流領域の流路溝群から流入する前記反応ガスを前記窪み部で合流させ、前記合流させた後の前記反応ガスを前記下流側の分流領域へ再び分流させる1以上の分流領域と、
が設けられており、
前記合流領域の前記窪み部に接続される前記上流側の前記分流領域と前記下流側の前記分流領域とにおいて、前記上流側の前記分流領域の前記流路溝群の溝数が、前記下流側の前記分流領域の前記流路溝群の溝数と同一になるように形成されており、
前記合流領域の前記窪み部は、当該窪み部が形成されている前記反応ガス通流領域の前記折り返し部において、前記窪み部に連通する前記一対の前記上流側の流路溝群および前記下流側の流路溝群との間の斜めの境界および前記折り返し部の外端により区画され、
前記主面の法線方向からみた場合、
前記外端は、前記窪み部側に突出する外端突片を、その途中に形成するよう湾曲している、燃料電池用セパレータ。 - 前記主面の法線方向からみた場合、前記分流領域に対応する前記セパレータの表面には、前記流路溝群を横断する方向において、均等幅、均等ピッチかつ均等段差の複数の凹部と、均等幅、均等ピッチかつ均等段差の複数の凸部と、により構成される凹凸パターンが形成され、
前記凹部は前記流路溝群の流路溝であり、前記凸部は前記主面に当接する電極部を支持するリブであり、
前記複数の突起が、前記リブの延長線上に配置されている、請求項19記載の燃料電池用セパレータ。 - 各々の前記突起が略円柱形に形成されている場合、前記突起と前記リブとの間、前記突起と前記外端突片との間および前記リブと前記外端との間の第1の距離は、前記突起同士の間の第2の距離よりも狭く形成されている、請求項20記載の燃料電池用セパレータ。
- 前記第1および第2の距離を一定と仮定した際の前記第1の距離を横切って流れる反応ガスの流速と前記第1の距離との積が、前記第1および第2の距離を一定と仮定した際の前記第2の距離を横切って流れる前記反応ガスの流速と前記第2の距離との積に略一致するよう、前記第1および第2の距離は設定されている、請求項21記載の燃料電池用セパレータ。
- 前記複数の突起は、1以上の前記突起が前記外端の延在方向に間隔を置いて連なる列を複数形成するとともに1以上の前記突起が前記外端の延在方向に対し垂直な方向に間隔を置いて連なる段を複数形成するように配置されており、各々の前記列が1つ置きの前記段を構成する前記突起で構成されている、請求項19乃至22記載の何れかに燃料電池用セパレータ。
- アノードセパレータと、カソードセパレータと、前記アノードセパレータと前記カソードセパレータとの間に配置されている膜電極接合体と、を有しており、
請求項1乃至23のうちの何れかに1項に記載された燃料電池用セパレータが前記アノードセパレータおよび前記カソードセパレータとして組み込まれており、
前記アノードセパレータに供給される前記反応ガスが還元剤ガスであり、前記カソードセパレータに供給される前記反応ガスが酸化剤ガスである、燃料電池。
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