JP2007250259A - Fuel cell - Google Patents
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Abstract
【課題】電解質膜が局所的に乾燥することを抑制可能な固体高分子型燃料電池を提供する。
【解決手段】燃料電池に用いられるセパレータ30を、アノード対向プレート31と、中間プレート33と、カソード対向プレート32とを重ね合わせて接合することによって構成する。そして、アノード対向プレートまたはカソード対向プレートに、プレート面について、二次元的に分散して配置された複数の水供給口貫通部61を設ける。
【選択図】図2A polymer electrolyte fuel cell capable of suppressing local drying of an electrolyte membrane is provided.
A separator 30 used in a fuel cell is configured by overlapping and joining an anode facing plate 31, an intermediate plate 33, and a cathode facing plate 32. A plurality of water supply port penetrating portions 61 arranged two-dimensionally on the plate surface are provided on the anode facing plate or the cathode facing plate.
[Selection] Figure 2
Description
本発明は、所定の電解質膜の両面に、それぞれアノード、および、カソードを配置した積層体を、セパレータを介在させて、複数積層させたスタック構造を有する固体高分子型燃料電池に関するものである。 The present invention relates to a polymer electrolyte fuel cell having a stack structure in which a plurality of laminated bodies each having an anode and a cathode disposed on both surfaces of a predetermined electrolyte membrane are laminated with a separator interposed therebetween.
固体高分子型燃料電池は、プロトン伝導性を有し、固体高分子からなる電解質膜を備える燃料電池である(下記特許文献1参照)。このような固体高分子型燃料電池には、例えば、電解質膜の両面に、触媒電極(アノード(燃料極)またはカソード(酸素極))を配置した膜電極接合体とセパレータとを交互に積層させたスタック構造を有するものがある。 A polymer electrolyte fuel cell is a fuel cell having proton conductivity and including an electrolyte membrane made of a solid polymer (see Patent Document 1 below). In such a polymer electrolyte fuel cell, for example, membrane electrode assemblies in which catalyst electrodes (anode (fuel electrode) or cathode (oxygen electrode)) are arranged on both surfaces of an electrolyte membrane and separators are alternately laminated. Some have a stack structure.
このような固体高分子型燃料電池では、電気化学反応に供される反応ガス(燃料ガス、および、酸化ガス)が、触媒電極の周縁の一部から、触媒電極に供給される。 In such a polymer electrolyte fuel cell, a reaction gas (fuel gas and oxidizing gas) used for an electrochemical reaction is supplied to the catalyst electrode from a part of the periphery of the catalyst electrode.
ところで、固体高分子型燃料電池は、良好な発電状態を維持するためには、電解質膜を湿潤状態に保つ必要がある。この場合、例えば、反応ガスを加湿することによって、電解質膜を湿潤状態に保つようにしていた。 Incidentally, in order to maintain a good power generation state, the polymer electrolyte fuel cell needs to keep the electrolyte membrane in a wet state. In this case, for example, the electrolyte membrane is kept wet by humidifying the reaction gas.
しかしながら、上述の固体高分子型燃料電池において、加湿した反応ガスを触媒電極に供給する場合に、反応ガスを触媒電極の周縁の一部から供給することとすると、触媒電極に対して反応ガスが行き届かず、電解質膜の加湿がその部分で十分に行われない場合があった。その結果、電解質膜に局所的に乾燥する部分が生じてしまうおそれがあった。そのため、燃料電池の電池性能が低下してしまうおそれがあった。 However, in the above-described polymer electrolyte fuel cell, when supplying the humidified reaction gas to the catalyst electrode, if the reaction gas is supplied from a part of the periphery of the catalyst electrode, the reaction gas is supplied to the catalyst electrode. There was a case where the electrolyte membrane was not sufficiently humidified in that portion. As a result, there is a possibility that a portion that is locally dried occurs in the electrolyte membrane. As a result, the battery performance of the fuel cell may be degraded.
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、固体高分子型燃料電池において、電解質膜が局所的に乾燥することを抑制する技術を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a technique for suppressing local drying of an electrolyte membrane in a polymer electrolyte fuel cell.
上述の課題の少なくとも一部を解決するため、本発明の燃料電池は、
固体高分子からなる電解質膜の両面に、それぞれアノード、および、カソードを配置した積層体を、セパレータを介在させて、複数積層させたスタック構造を有する固体高分子型燃料電池であって、
前記セパレータは、
前記積層体のアノードに対向するアノード対向プレートと、
前記積層体のカソードに対向するカソード対向プレートと、
前記アノード対向プレートと、前記カソード対向プレートとによって挟持される中間プレートと、を備え、
前記アノード対向プレート、および、前記カソード対向プレートの少なくとも一方は、該プレートの厚さ方向に貫通し、前記積層体の表面に対して略垂直な方向から、水を前記積層体の表面に供給するための複数の水供給口を備え、
前記中間プレートは、前記アノード対向プレートと、前記カソード対向プレートとに挟持されることによって、前記水を前記複数の水供給口のそれぞれに供給するための水供給流路を形成する水供給流路形成部を備え、
前記複数の水供給口は、該複数の水供給口を備えるプレートのプレート面について、二次元的に分散させて配置されていることを要旨とする。
In order to solve at least a part of the problems described above, the fuel cell of the present invention includes:
A solid polymer fuel cell having a stack structure in which a plurality of laminated bodies each having an anode and a cathode disposed on both surfaces of an electrolyte membrane made of a solid polymer with a separator interposed therebetween,
The separator is
An anode facing plate facing the anode of the laminate;
A cathode facing plate facing the cathode of the laminate;
An intermediate plate sandwiched between the anode facing plate and the cathode facing plate;
At least one of the anode facing plate and the cathode facing plate penetrates in the thickness direction of the plate, and supplies water to the surface of the laminate from a direction substantially perpendicular to the surface of the laminate. A plurality of water supply ports for
The intermediate plate is sandwiched between the anode counter plate and the cathode counter plate, thereby forming a water supply channel for supplying the water to each of the plurality of water supply ports. With a forming part,
The gist of the plurality of water supply ports is that they are two-dimensionally distributed with respect to the plate surface of the plate having the plurality of water supply ports.
上記構成の燃料電池によれば、燃料電池の積層体の表面、すなわち、アノードまたはカソードの表面に、複数の水供給口から水を二次元的に分散させて供給することができる。このようにして、供給された水は、アノードまたはカソードを介して、電解質膜に浸透する。従って、このようにすれば、電解質膜が局所的に乾燥することを抑制することができる。その結果、燃料電池の電池性能の低下を抑制することが可能となる。 According to the fuel cell having the above configuration, water can be two-dimensionally distributed and supplied from the plurality of water supply ports to the surface of the fuel cell stack, that is, the surface of the anode or cathode. In this way, the supplied water permeates the electrolyte membrane via the anode or cathode. Therefore, if it does in this way, it can control that an electrolyte membrane drys locally. As a result, it is possible to suppress a decrease in battery performance of the fuel cell.
上記燃料電池において、
前記中間プレートは、前記アノード対向プレートと、前記カソード対向プレートとによって挟持されることによって、前記固体高分子型燃料電池を冷却するための冷却媒体を流すための冷却媒体流路を形成する冷却媒体流路形成部を備えるようにしてもよい。
In the fuel cell,
The intermediate plate is sandwiched between the anode facing plate and the cathode facing plate, thereby forming a cooling medium flow path for flowing a cooling medium for cooling the polymer electrolyte fuel cell. You may make it provide a flow-path formation part.
このようにすれば、冷却媒体流路をさらに別の部材を用いて形成するよりも、セパレータの厚さを薄くすることができる。この結果、燃料電池を小型化することができる。 In this way, the thickness of the separator can be made thinner than when the cooling medium flow path is formed using another member. As a result, the fuel cell can be reduced in size.
上記燃料電池において、
前記冷却媒体流路形成部を、前記水供給流路形成部としてもよい。
In the fuel cell,
The cooling medium flow path forming part may be the water supply flow path forming part.
このようにすれば、セパレータに、水供給流路形成部と冷却媒体流路形成部とを別々に形成する必要がないので、セパレータの加工が容易になる。 In this way, since it is not necessary to separately form the water supply flow path forming part and the cooling medium flow path forming part in the separator, processing of the separator is facilitated.
上記燃料電池において、
前記アノード対向プレート、および、前記カソード対向プレートのうち、前記複数の水供給口を備えるプレートは、該プレートの厚さ方向に貫通し、前記積層体の表面に対して垂直な方向から、所定の反応ガスを前記積層体の表面に供給するための複数の反応ガス供給口を備え、
前記中間プレートは、前記アノード対向プレートと、前記カソード対向プレートとに挟持されることによって、前記反応ガスを前記複数の反応ガス供給口のそれぞれに供給するための反応ガス供給流路を形成する反応ガス供給流路形成部を備え、
前記複数の反応ガス供給口は、該複数の反応ガス供給口を備えるプレートのプレート面について、二次元的に分散させて配置してもよい。
In the fuel cell,
Of the anode facing plate and the cathode facing plate, the plate having the plurality of water supply ports penetrates in the thickness direction of the plate, and from a direction perpendicular to the surface of the laminate, a predetermined number A plurality of reaction gas supply ports for supplying reaction gas to the surface of the laminate,
The intermediate plate is sandwiched between the anode facing plate and the cathode facing plate, thereby forming a reaction gas supply channel for supplying the reaction gas to each of the plurality of reaction gas supply ports. A gas supply flow path forming section;
The plurality of reaction gas supply ports may be two-dimensionally distributed on the plate surface of the plate having the plurality of reaction gas supply ports.
このようにすれば、燃料電池の積層体の表面、すなわち、アノードまたはカソードの表面に、複数の反応ガス供給口から反応ガスを二次元的に分散させて供給することができる。従って、このようにすれば、反応ガスをアノードまたはカソードの表面に略均一に供給することが可能となる。その結果、燃料電池の電池性能の低下を抑制することが可能となる。 In this way, the reaction gas can be two-dimensionally dispersed and supplied from the plurality of reaction gas supply ports to the surface of the fuel cell stack, that is, the surface of the anode or cathode. Accordingly, in this way, the reaction gas can be supplied substantially uniformly to the surface of the anode or cathode. As a result, it is possible to suppress a decrease in battery performance of the fuel cell.
上記燃料電池において、
前記複数の水供給口および前記複数の反応ガス供給口は、前記アノード対向プレートに備えられており、
前記積層体の表面に供給された前記燃料ガスを、前記固体高分子型燃料電池の外部に排出せず内部に留めた状態で発電を行うようにしてもよい。
In the fuel cell,
The plurality of water supply ports and the plurality of reaction gas supply ports are provided in the anode facing plate,
Power generation may be performed in a state where the fuel gas supplied to the surface of the laminate is not discharged to the outside of the polymer electrolyte fuel cell but remains inside.
このようにすれば、アノードに供給した燃料ガスを、燃費効率を上昇させることが可能となる。 If it does in this way, it will become possible to raise fuel consumption efficiency with the fuel gas supplied to the anode.
上記燃料電池において、複数の水供給口の形状や、開口面積や、配置は、任意に設定可能であり、
前記複数の水供給口は、該複数の水供給口を備えるプレートのプレート面において、略等間隔の位置に形成されているようにしてもよい。
In the fuel cell, the shape, opening area, and arrangement of the plurality of water supply ports can be arbitrarily set,
The plurality of water supply ports may be formed at substantially equal intervals on a plate surface of a plate provided with the plurality of water supply ports.
このようにすれば、積層体のアノード、および、カソードの少なくとも一方の表面全体に、面内分布を均一化して、水を二次元的に分散させて供給するようにすることができる。この結果、効率よく発電することができる。 In this way, it is possible to make the in-plane distribution uniform and supply water in a two-dimensional manner over the entire surface of at least one of the anode and the cathode of the laminate. As a result, power can be generated efficiently.
上記燃料電池において、
前記アノード対向プレートと、前記カソード対向プレートと、前記中間プレートは、それぞれ平板状の部材としてもよい。
In the fuel cell,
The anode facing plate, the cathode facing plate, and the intermediate plate may each be a flat plate member.
このようにすれば、アノード対向プレートと、カソード対向プレートと、中間プレートの加工を容易に行うことができる。 In this way, it is possible to easily process the anode facing plate, the cathode facing plate, and the intermediate plate.
上記燃料電池において、
前記アノード対向プレートが、前記複数の水供給口を備えるようにしてもよい。
In the fuel cell,
The anode facing plate may include the plurality of water supply ports.
このようにすれば、電解質膜を、その厚さ方向において湿潤とすることが可能となる。 In this way, the electrolyte membrane can be moistened in the thickness direction.
本発明は、上述の燃料電池としての構成の他、セパレータの発明、または、上述の燃料電池を備える燃料電池システムの発明として構成することもできる。また、上述のような装置発明の他、燃料電池の製造方法などの方法発明として構成することも可能である。 The present invention can also be configured as a separator invention or a fuel cell system invention including the above-described fuel cell, in addition to the above-described configuration as a fuel cell. In addition to the apparatus invention as described above, it may be configured as a method invention such as a fuel cell manufacturing method.
以下、本発明の実施の形態について、実施例に基づき以下の順序で説明する。
A.第1実施例:
A1.燃料電池100の構成:
A2.単セル10の構成:
A3.セパレータ30の構成:
B.第2実施例:
C.第3実施例:
D.変形例:
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in the following order based on examples.
A. First embodiment:
A1. Configuration of the fuel cell 100:
A2. Configuration of the single cell 10:
A3. Configuration of separator 30:
B. Second embodiment:
C. Third embodiment:
D. Variation:
A.第1実施例:
A1.燃料電池100の構成:
図1は、本発明の第1実施例に係る燃料電池100の外観構成を示す説明図である。本実施例の燃料電池100は、比較的小型で発電効率に優れる固体高分子型燃料電池である。燃料電池100は、モジュール200と、エンドプレート300と、テンションプレート310と、インシュレータ330と、ターミナル340とを備えている。モジュール200は、インシュレータ330およびターミナル340を挟んで、2枚のエンドプレート300によって挟持される。すなわち、燃料電池100は、モジュール200が、複数個積層された層状構造を有している。また、燃料電池100は、テンションプレート310がボルト320によって各エンドプレート300に結合されることによって、各モジュール200を、積層方向に所定の力で締結する構造となっている。
A. First embodiment:
A1. Configuration of the fuel cell 100:
FIG. 1 is an explanatory diagram showing an external configuration of a
本実施例の燃料電池100には、電気化学反応に供される反応ガス(燃料ガスと酸化ガス)と、燃料電池100を冷却する冷却媒体(水、エチレングリコール等の不凍水、空気等)とに加えて、水タンク480から水が供給される。
The
具体的には、燃料電池100のアノードには、高圧水素を貯蔵した水素タンク400から、配管415を介して、燃料ガスとしての水素が供給される。この場合、アルコール、炭化水素などを原料とする改質反応によって水素を生成し、水素タンク400の代わりとして、水素を供給するようにしてもよい。配管415には、水素の供給を調整するため、シャットバルブ410および調圧バルブ(図示せず)が配置されている。また、燃料電池100には、後述する燃料ガス排出マニホールドと接続され、アノードから電気化学反応に供されなかった燃料ガス(以下では、燃料排ガスとも呼ぶ。)を燃料電池100外部へ排出するための配管417が配置されている。
Specifically, hydrogen as fuel gas is supplied to the anode of the
燃料電池100のカソードには、エアポンプ440から、配管444を介して、酸化ガスとしての空気が供給される。燃料電池100のカソードから排出された空気は、配管446を介して大気中に放出される。この排ガスを、酸化排ガスとも呼ぶ。
Air as an oxidizing gas is supplied from the
また、燃料電池100には、ラジエータ450から、配管455を介して、冷却媒体が供給される。燃料電池100から排出された冷却媒体は、配管455を介して、ラジエータ450に送られ、再び燃料電池100に循環される。配管455上には、循環のための循環ポンプ460が配置されている。
In addition, a cooling medium is supplied to the
さらに、燃料電池100には、水供給ポンプ485によって、水タンク480から配管487を介して水が供給される。この水は、後述するように、燃料電池100のアノードに供給される。
Further, water is supplied to the
制御回路500は、マイクロコンピュータを中心とした論理回路として構成され、詳しくは、予め設定された制御プログラムに従って所定の演算などを実行するCPU(図示せず)と、CPUで各種演算処理を実行するのに必要な制御プログラムや制御データ等が予め格納されたROM(図示せず)と、同じくCPUで各種演算処理をするのに必要な各種データが一時的に読み書きされるRAM(図示せず)と、各種信号を入出力する入出力ポート(図示せず)等を備え、燃料電池100の発電に伴い、上記した各部、すなわち、シャットバルブ410、エアポンプ440、循環ポンプ460および水供給ポンプ485等に対して種々の制御を行う。
The
A2.単セル10の構成:
図2は、第1実施例の燃料電池100を構成するモジュール200の概略断面構成を示す説明図である。図2に示すように、モジュール200は、セパレータ30と単セル10とを交互に積層して構成される。なお、以下では、セパレータ30と単セル10とを積層する方向を積層方向(x方向に該当)とも呼び、単セル面に平行な方向を面方向とも呼ぶ。
A2. Configuration of the single cell 10:
FIG. 2 is an explanatory diagram showing a schematic cross-sectional configuration of the
単セル10は、膜−電極接合体(以下では、MEA(Membrane-Electrode Assembly )と呼ぶ。)と、MEAの外側に配設された第2ガス拡散層14,15と、シール部16とを備える。ここで、MEAは、電解質膜20と、電解質膜20を間に挟んでその表面に形成された触媒電極であるアノード22およびカソード24と、これら触媒電極のさらに外側に配設された第1ガス拡散層26,28とを備えている。なお、MEAにおいて、実際に発電が行なわれる部分を以下では、発電領域とも呼ぶ。
The
電解質膜20は、固体高分子材料、例えばパーフルオロカーボンスルホン酸を備えるフッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜であり、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。アノード22およびカソード24は、電気化学反応を促進する触媒、例えば、白金、あるいは白金と他の金属から成る合金を備えている。第1ガス拡散層26,28は、例えばカーボン製の多孔質部材である。
The
第2ガス拡散層14,15は、例えば、チタン(Ti)などから成る発泡金属や金属メッシュなどの金属製の導電性多孔質体によって形成される。第2ガス拡散層14,15は、MEAとセパレータ30との間に形成される空間全体を占めるように配設されており、内部に形成される多数の細孔から成る空間は、反応ガス(燃料ガスまたは酸化ガス)が通過する単セル内ガス流路として機能する。この場合、特に、第2ガス拡散層14には、燃料ガスが供給され、燃料ガスが流れるので、第2ガス拡散層14内に形成される単セル内ガス流路を燃料ガス流路とも呼ぶ。また、第2ガス拡散層15には、酸化ガスが供給され、酸化ガスが流れるので、第2ガス拡散層15内に形成される単セル内ガス流路を酸化ガス流路とも呼ぶ。
The second gas diffusion layers 14 and 15 are formed of a conductive porous body made of metal such as foam metal or metal mesh made of titanium (Ti), for example. The second gas diffusion layers 14 and 15 are arranged so as to occupy the entire space formed between the MEA and the
シール部16は、隣り合うセパレータ30間であって、MEAおよび第2ガス拡散層14,15の外周部に設けられている。このシール部16は、例えば、シリコンゴム、ブチルゴム、フッ素ゴムなどの絶縁性ゴム材料によって形成されると共に、MEAと一体で形成されている。このようなシール部16は、例えば、金型のキャビティ内にMEAの外周部が収まるようにMEAを配設し、上記樹脂材料を射出成形することによって形成できる。これにより、樹脂材料が多孔質部材である第1ガス拡散層内に含浸されて、MEAとシール部16とが隙間なく接合され、MEAの両面間のガスシール性を確保することができる。なお、シール部16は、MEAを保持する保持部としても機能している。
The
図3は、図2のモジュール200におけるA−A断面に沿った単セル10の断面構成を表わす平面図である。図3に示すように、シール部16は、矩形状の薄板状部材であり、外周部に設けられ、各マニホールドを形成する7つの穴部と、中央部に設けられてMEAおよび第2ガス拡散層14,15(斜線部分)が組み込まれている矩形状の穴部とを有している。なお、この図3における斜線部分は、発電領域に対応する。
FIG. 3 is a plan view showing a cross-sectional configuration of the
また、図3の平面図には表わしていないが、シール部16は実際には図2に示すように所定の凹凸形状を有しており、燃料電池100内では、上記各マニホールドを形成する7つの穴部および略四角形の穴部を取り囲む位置に設けられた凸部で、隣接するセパレータ30と接触する。シール部16とセパレータ30との接触位置(図2において一点鎖線で示す)を、図3の平面図においてシールラインSLとして示している。シール部16は、弾性を有する樹脂材料から成るため、燃料電池100内で積層方向において、平行な方向に押圧力が加えられることにより、上記シールラインSLの位置において、シール性を実現している。
Although not shown in the plan view of FIG. 3, the
なお、図3に示すシール部16および第2ガス拡散層14のB−B断面に沿った形状は、図2のシール部16および第2ガス拡散層14の断面形状に該当する。
In addition, the shape along the BB cross section of the
A3.セパレータ30の構成:
図4は、中間プレート33の形状を示す説明図である。図5は、アノード対向プレート31の形状を示す説明図である。図6は、カソード対向プレート32の形状を示す説明図である。セパレータ30は、積層方向に沿って見た外郭形状が同じである3枚のプレートから形成され、いわゆる、三層積層セパレータとなっている。セパレータ30は、第2ガス拡散層14と接するアノード対向プレート31と、第2ガス拡散層15と接するカソード対向プレート32と、アノード対向プレート31およびカソード対向プレート32に挟持される中間プレート33と、を備えている。これら3枚のプレートは、導電性材料、例えばチタン(Ti)といった金属によって形成される薄板状部材であり、重ね合わせて拡散接合等により接合されている。これら3種のプレートは、いずれも凹凸のない平坦な表面を有すると共に、各々、所定の位置に所定形状の穴部を有している。なお、図4、図5、および、図6中に示す点線は、単セル10とセパレータ30とを積層した場合に、発電領域(図3参照)の外郭に対応する。また、図4、図5、および、図6に示す中間プレート33、アノード対向プレート31、および、カソード対向プレート32のB−B断面に沿った形状は、それぞれ、図2の中間プレート33、アノード対向プレート31、および、カソード対向プレート32の断面形状に該当する。
A3. Configuration of separator 30:
FIG. 4 is an explanatory view showing the shape of the
中間プレート33、アノード対向プレート31およびカソード対向プレート32は、図4、図5および図6に示すように、同様の位置に、7つの穴部(穴部40〜46)を備えている。これらの7つの穴部は、モジュール200を形成するために各々の薄板状部材が積層された際に互いに重なり合って、燃料電池内部において積層方向に平行に流体を導くマニホールドを形成する。
As shown in FIGS. 4, 5, and 6, the
穴部40は、燃料電池100に対して供給された燃料ガスを各単セル10に分配する燃料ガス供給マニホールドを形成し(図中、H2 inと表わす)、穴部41は、燃料電池100から排出されて集合した燃料排ガスを外部へと導く燃料ガス排出マニホールドを形成する(図中、H2 outと表わす)。
The
穴部42は、燃料電池100に対して供給された酸化ガスを各単セル10に分配する酸化ガス供給マニホールドを形成し(図中、Air inと表わす)、穴部43は、各単セル10から排出されて集合した酸化排ガスを外部へと導く酸化ガス排出マニホールドを形成する(図中、Air outと表わす)。
The
また、穴部44は、燃料電池100に供給された冷却媒体を各セパレータ30内に分配する冷媒供給マニホールドを形成し(図中、冷 inと表わす)、穴部45は、各セパレータ30から排出されて集合した冷却媒体を外部へと導く冷媒排出マニホールドを形成する(図中、冷 outと表わす)。
Further, the
さらに、穴部46は、燃料電池100に水タンク480から供給された水をアノード22に分配するための水供給マニホールドを形成する(図中、水 inと表わす)。
Further, the
中間プレート33では、図4に示すように、穴部40〜46の形状が他のプレートと異なっている。中間プレート33の穴部40は、発電領域に対応する領域側の辺が、その領域内を、穴部46近傍付近まで長く突出する複数の突出部を備える形状となっている。この突出部を、以下では、連通部50と呼ぶ。
In the
また、中間プレート33の穴部46は、発電領域に対応する領域側の辺が、その領域内を、穴部40近傍付近まで長く突出する複数の突出部を備える形状となっている。この突出部を、以下では、連通部51と呼ぶ。なお、図4に示すように、連通部50と連通部51とは、面方向において、互いに噛み合うように形成されている。
Moreover, the
さらに、中間プレート33の穴部41,42,43は、それぞれ、発電領域に対応する領域側の辺が、その領域方向に短く突出する複数の突出部を備える形状となっている。これらの突出部を、以下では、それぞれ、連通部52,53,54と呼ぶ。
Further, each of the
また、中間プレート33の穴部44と穴部45とは、連通部55によって、連通している。この連通部55は、発電領域に対応する領域内を、連通部50と連通部51を避けるように蛇行して形成される。これにより、中間プレート33と、アノード対向プレート31およびカソード対向プレート32とが積層されたときに、穴部44が形成する冷媒供給マニホールドと穴部45が形成する冷媒排出マニホールドとが連通し、冷媒供給マニホールドから冷媒排出マニホールドへ冷却媒体が流れ、燃料電池100内部の冷却が可能となる。
Further, the
アノード対向プレート31は、図5に示すように、発電領域に対応した領域内であって、さらに、中間プレート33の連通部50に対応する位置に、等間隔に並んだ複数の穴部である貫通部60を備えている。従って、この貫通部60は、発電領域に対応する領域に二次元的に分散して設けられることになる。また、これにより、アノード対向プレート31と中間プレート33とが積層されたときに、この貫通部60と穴部40が形成する燃料ガス供給マニホールドとが、連通部50を介して連通する。
As shown in FIG. 5, the anode-facing
また、アノード対向プレート31は、発電領域に対応した領域内であって、さらに、中間プレート33の連通部51に対応する位置に、等間隔に並んだ複数の穴部である貫通部61を備えている。従って、この貫通部61は、発電領域に対応する領域に二次元的に分散して設けられることになる。また、これにより、アノード対向プレート31と中間プレート33とが積層されたときに、この貫通部61と穴部46が形成する水供給マニホールドとが、連通部51を介して連通する。
In addition, the
さらに、アノード対向プレート31は、発電領域に対応した領域内であって、中間プレート33の連通部52に対応する位置において、平行に配列する複数の穴部である貫通部62を備えている。これにより、アノード対向プレート31と中間プレート33とが積層されたときに、この貫通部62と穴部41が形成する燃料ガス排出マニホールドとが、連通部52を介して連通する。
Furthermore, the
カソード対向プレート32は、図6に示すように、発電領域に対応した領域内であって、中間プレート33の連通部53と対応する位置において、平行に配列する複数の穴部である貫通部63と、発電領域に対応した領域内であって、中間プレート33の連通部54と対応する位置において、平行に配列する複数の貫通部64を、それぞれ備えている。これにより、アノード対向プレート31と中間プレート33とが積層されたときに、この貫通部63と穴部42が形成する酸化ガス供給マニホールドと、および、貫通部64と穴部43が形成する酸化ガス排出マニホールドと、がそれぞれ、連通部53、連通部54を介して連通する。
As shown in FIG. 6, the
燃料電池100(モジュール200)の内部において、各プレートの穴部46が形成する水供給マニホールドを流れる水は、中間プレート33(図4)の連通部55が形成する空間(図2参照)と、アノード対向プレート31(図5)において、二次元的に分散して設けられる貫通部61とを介して、第2ガス拡散層14内に形成される単セル内ガス流路(燃料ガス流路)へと流入し、アノード22を介して電解質膜20へ供給される。これにより、水を電解質膜20に対して二次元的に分散して供給することができ、水を電解質膜20の表面に略均一に供給することが可能となる。従って、電解質膜20が局所的に乾燥することを抑制することができ、その結果、燃料電池100の電池性能の低下を抑制することが可能となる。また、燃料電池100の運転状況により、供給した水が蒸発する場合には、その際の潜熱により燃料電池100を冷却することが可能となる。
Inside the fuel cell 100 (module 200), the water flowing through the water supply manifold formed by the
燃料電池100(モジュール200)の内部において、各プレートの穴部40が形成する燃料ガス供給マニホールドを流れる燃料ガスは、中間プレート33の連通部50が形成する空間と、アノード対向プレート31において、二次元的に分散して設けられる貫通部60とを介して、第2ガス拡散層14内に形成される単セル内ガス流路(燃料ガス流路)へと流入し、面方向に流れると共に、面方向に垂直な方向(積層方向)へとさらに拡散する。そして、積層方向に拡散した燃料ガスは、第2ガス拡散層14から第1ガス拡散層26を介してアノード22に至り、電気化学反応に供される。これにより、燃料ガスをアノード22に対して二次元的に分散して供給することができ、燃料ガスをアノード22の表面に略均一に供給することが可能となる。その結果、燃料電池100の電池性能の低下を抑制することが可能となる。
Inside the fuel cell 100 (module 200), the fuel gas flowing through the fuel gas supply manifold formed by the
ところで、電解質膜20では、プロトンがアノード22からカソード24へ移動するが、この場合、プロトンは、水を引き付け水和した状態で移動する。一方、本実施例の燃料電池100では、水供給マニホールドを流れる水を、アノード22側から電解質膜20に供給するようにしている。言い換えれば、本実施例の燃料電池100では、水供給マニホールドを流れる水を、電解質膜20に対して、プロトンの移動方向の上流側から供給しているので、電解質膜20を、その厚さ方向において湿潤とすることができる。
By the way, in the
なお、電気化学反応に寄与しつつ燃料ガス流路を通過した燃料ガスは、第2ガス拡散層14から、アノード対向プレート31の連通部52および中間プレート33の連通部52が形成する空間を介して、穴部41が形成する燃料ガス排出マニホールドへと排出される。
The fuel gas that has passed through the fuel gas flow path while contributing to the electrochemical reaction passes through the space formed by the
同様に、燃料電池100の内部において、穴部42が形成する酸化ガス供給マニホールドを流れる酸化ガスは、中間プレート33の連通部53が形成する空間と、カソード対向プレート32(図6)の貫通部63とを介して、第2ガス拡散層15内に形成される単セル内ガス流路(酸化ガス流路)へと流入し、面方向に流れると共に、積層方向へとさらに拡散する。積層方向に拡散した酸化ガスは、第2ガス拡散層15から第1ガス拡散層28を介してカソード24に至り、電気化学反応に供される。このように電気化学反応に寄与しつつ酸化ガス流路を通過した酸化ガスは、第2ガス拡散層15から、カソード対向プレート32の貫通部64および中間プレート33の連通部54が形成する空間を介して、穴部43が形成する酸化ガス排出マニホールドへと排出される。
Similarly, in the
なお、本実施例における貫通部61は、請求項における水供給口に該当する。連通部51は、請求項における水供給流路形成部に該当する。連通部55は、冷却媒体流路形成部に該当する。貫通部60は、請求項における反応ガス供給口に該当する。連通部50は、請求項における反応ガス供給流路形成部に該当する。
In addition, the
B.第2実施例:
図7は、第2実施例に係る燃料電池100aの外観構成を示す説明図である。図8は、第2実施例における中間プレート33Aの形状を示す説明図である。図9は、第2実施例におけるアノード対向プレート31Aの形状を示す説明図である。図10は、第2実施例におけるカソード対向プレート32Aの形状を示す説明図である。第2実施例の燃料電池100aは、第1実施例の燃料電池100と類似する構成を有し、共通する部分には同じ参照番号を付して詳しい説明は省略する。
B. Second embodiment:
FIG. 7 is an explanatory diagram showing an external configuration of the
本実施例の燃料電池100aが備える中間プレート33A、アノード対向プレート31A、および、カソード対向プレート32は、図8、図9、および、図10に示すように、それぞれ穴部46が設けられていない。すなわち、燃料電池100aでは、水供給マニホールドが設けられていない。これに伴い、図7に示すように、燃料電池100aでは、水供給マニホールドへの水の供給のための水タンク480、水供給ポンプ485、および、配管487は、設けられていない。なお、図示は省略しているが、シール部16においても、穴部46は設けられていない。
As shown in FIGS. 8, 9, and 10, the
本実施例の燃料電池100aは、燃料電池を冷却する冷却媒体として、水を用いる。そして、燃料電池100aでは、図7に示すように、配管455上に水タンク480Aが設けられている。
The
上述したように、本実施例の燃料電池100aでは、水供給マニホールドが設けられていないので、それに伴い、中間プレート33Aでは、連通部51が、アノード対向プレート31では、貫通部61が、それぞれ省略されている。
As described above, since the water supply manifold is not provided in the
また、アノード対向プレート31Aは、発電領域に対応した領域内であって、さらに、中間プレート33Aの連通部51に対応する位置に、所定間隔に並んだ複数の穴部である貫通部61Aを備えている。従って、この貫通部61は、発電領域に対応する領域に二次元的に分散して設けられることになる。また、これにより、アノード対向プレート31Aと中間プレート33Aとが積層されたときに、この貫通部61Aと連通部55が連通する。
In addition, the
以上のようにすれば、本実施例の燃料電池100aの内部において、穴部44が形成する冷媒供給マニホールドを流れる水は、中間プレート33A(図8)の連通部55が形成する空間を流れつつ、アノード対向プレート31A(図9)において、二次元的に分散して設けられる貫通部61Aを介して、第2ガス拡散層14内に形成される単セル内ガス流路(燃料ガス流路)へと流入し、アノード22を介して電解質膜20へ供給される。これにより、水を電解質膜20に対して二次元的に分散して供給することができ、水を電解質膜20の表面に略均一に供給することが可能となる。従って、電解質膜20が局所的に乾燥することを抑制することができ、その結果、燃料電池100の電池性能の低下を抑制することが可能となる。また、燃料電池100aの運転状況により、供給する水が蒸発する場合には、その際の潜熱により燃料電池100を冷却することが可能となる。さらに、本実施例の燃料電池100aでは、第1実施例の燃料電池100のごとく水供給マニホールドを設けることないので、セパレータ30を構成する各プレートの加工が容易となり、また、各プレートを小型化することが可能となる。
As described above, in the
なお、本実施例の連通部55は、請求項における冷却媒体流路形成部および水供給流路形成部に該当する。
In addition, the
C.第3実施例:
図11は、第3実施例に係る燃料電池100bの外観構成を示す説明図である。第3実施例の燃料電池100bは、第1実施例の燃料電池100と類似する構成を有し、配管417上にシャットバルブ490を備えた構成となっている点以外は第1実施例の燃料電池100と同様であり、共通する部分には同じ参照番号を付して詳しい説明は省略する。シャットバルブ490は、制御回路500によって制御される。
C. Third embodiment:
FIG. 11 is an explanatory diagram showing an external configuration of the
本実施例の燃料電池100bは、エアポンプ440によって、カソード24に酸化ガスが供給され、また、制御回路500によって、シャットバルブ410が開弁されることにより、アノード22に燃料ガスが供給され、さらに、制御回路500によって、シャットバルブ490が閉弁された状態で発電を行う。このように、燃料電池100bは、アノード22に供給された燃料ガスを、燃料電池100bの外部に排出せず内部に留めた状態で発電を行うアノードデットエンド運転型燃料電池となっている。なお、第2ガス拡散層14中には、カソード24側から電解質膜20を介してリークしてきた窒素などの不純物が滞留する場合がある。このため、制御回路500は、燃料排ガスと共に、第2ガス拡散層14中に溜まった窒素等の不純物を排出するために、シャットバルブ490を適宜開弁制御する場合がある。
In the
以上のように、本実施例の燃料電池100bは、シャットバルブ490を閉弁し、燃料ガスを燃料電池100b内部に留めた状態で、発電を行うようにしているので、燃料ガスをアノード22でほぼ消費することが可能となり、燃料ガスの燃費効率が向上する。そして、燃料ガスをアノード22に対して二次元的に分散して供給することができ、燃料ガスをアノード22の表面に略均一に供給することが可能になるので、アノード22における燃料ガスの消費効率を向上することが可能となる。その結果、燃料電池100bにおける電池性能を向上させることが可能となる。
As described above, the
D.変形例:
なお、本発明では、上記した実施の形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様にて実施することが可能である。
D. Variation:
Note that the present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be implemented in various modes without departing from the scope of the invention.
D1.変形例1:
上記実施例の燃料電池では、アノード対向プレートに貫通部61を設けて、アノード側に水供給マニホールドから水を二次元的に分散させて供給するようにしているが、本発明はこれに限られるものではない。カソード側に水供給マニホールドから水を二次元的に分散させて供給するようにしてもよい。この場合、例えば、カソード対向プレートに、発電領域に対応した領域内であって、さらに、中間プレート33の連通部51に対応する位置に、等間隔に並んだ複数の穴部である貫通部を設けるようにしてもよい。このようにすれば、水をカソード側から電解質膜20に対して二次元的に分散して供給することができ、水を電解質膜20の表面に略均一に供給することが可能となる。従って、電解質膜20が局所的に乾燥することを抑制することができ、その結果、燃料電池100の電池性能の低下を抑制することが可能となる。また、燃料電池100の運転状況により、供給した水が蒸発する場合には、その際の潜熱により燃料電池100を冷却することが可能となる。
D1. Modification 1:
In the fuel cell of the above embodiment, the through-
D2.変形例2:
上記第3実施例の燃料電池は、発電中において、シャットバルブ490を閉弁させることで、発電中において燃料電池100bの外部に燃料排ガスの排出を行わないようにしているが、本発明は、これに限られるものではない。例えば、上記燃料電池100bにおいて、穴部43(すなわち、燃料ガス排出マニホールド)および配管417を設けずともよい。この場合、カソード24側からアノード22側にリークしてくる窒素等の不純物の滞留の問題を解消するため、カソード24に、酸化ガスとして高濃度の酸素を供給するようにしてもよい。
D2. Modification 2:
The fuel cell of the third embodiment is configured such that the exhaust gas is not discharged outside the
10…単セル
14,15…第2ガス拡散層
16…シール部
20…電解質膜
22…アノード
24…カソード
26,28…第1ガス拡散層
30…セパレータ
31…アノード対向プレート
32…カソード対向プレート
33…中間プレート
40〜46…穴部
43…中間プレート
50〜55…連通部
60〜64…貫通部
100…燃料電池
200…モジュール
300…エンドプレート
310…テンションプレート
320…ボルト
330…インシュレータ
340…ターミナル
400…水素タンク
410…シャットバルブ
415,417,444,446,455,487…配管
450…ラジエータ
460…循環ポンプ
480…水タンク
485…水供給ポンプ
490…シャットバルブ
500…制御回路
DESCRIPTION OF
Claims (8)
前記セパレータは、
前記積層体のアノードに対向するアノード対向プレートと、
前記積層体のカソードに対向するカソード対向プレートと、
前記アノード対向プレートと、前記カソード対向プレートとによって挟持される中間プレートと、を備え、
前記アノード対向プレート、および、前記カソード対向プレートの少なくとも一方は、該プレートの厚さ方向に貫通し、前記積層体の表面に対して略垂直な方向から、水を前記積層体の表面に供給するための複数の水供給口を備え、
前記中間プレートは、前記アノード対向プレートと、前記カソード対向プレートとに挟持されることによって、前記水を前記複数の水供給口のそれぞれに供給するための水供給流路を形成する水供給流路形成部を備え、
前記複数の水供給口は、該複数の水供給口を備えるプレートのプレート面について、二次元的に分散させて配置されていることを特徴とする固体高分子型燃料電池。 A solid polymer fuel cell having a stack structure in which a plurality of laminated bodies each having an anode and a cathode disposed on both surfaces of an electrolyte membrane made of a solid polymer with a separator interposed therebetween,
The separator is
An anode facing plate facing the anode of the laminate;
A cathode facing plate facing the cathode of the laminate;
An intermediate plate sandwiched between the anode facing plate and the cathode facing plate;
At least one of the anode facing plate and the cathode facing plate penetrates in the thickness direction of the plate, and supplies water to the surface of the laminate from a direction substantially perpendicular to the surface of the laminate. A plurality of water supply ports for
The intermediate plate is sandwiched between the anode counter plate and the cathode counter plate, thereby forming a water supply channel for supplying the water to each of the plurality of water supply ports. With a forming part,
The polymer electrolyte fuel cell, wherein the plurality of water supply ports are two-dimensionally distributed on a plate surface of a plate having the plurality of water supply ports.
前記中間プレートは、前記アノード対向プレートと、前記カソード対向プレートとによって挟持されることによって、前記固体高分子型燃料電池を冷却するための冷却媒体を流すための冷却媒体流路を形成する冷却媒体流路形成部を備えることを特徴とする固体高分子型燃料電池。 The polymer electrolyte fuel cell according to claim 1, wherein
The intermediate plate is sandwiched between the anode facing plate and the cathode facing plate, thereby forming a cooling medium flow path for flowing a cooling medium for cooling the polymer electrolyte fuel cell. A solid polymer fuel cell comprising a flow path forming unit.
前記冷却媒体流路形成部は、前記水供給流路形成部であることを特徴とする固体高分子型燃料電池。 The polymer electrolyte fuel cell according to claim 2, wherein
The polymer electrolyte fuel cell, wherein the cooling medium flow path forming part is the water supply flow path forming part.
前記アノード対向プレート、および、前記カソード対向プレートのうち、前記複数の水供給口を備えるプレートは、該プレートの厚さ方向に貫通し、前記積層体の表面に対して垂直な方向から、所定の反応ガスを前記積層体の表面に供給するための複数の反応ガス供給口を備え、
前記中間プレートは、前記アノード対向プレートと、前記カソード対向プレートとに挟持されることによって、前記反応ガスを前記複数の反応ガス供給口のそれぞれに供給するための反応ガス供給流路を形成する反応ガス供給流路形成部を備え、
前記複数の反応ガス供給口は、該複数の反応ガス供給口を備えるプレートのプレート面について、二次元的に分散させて配置されていることを特徴とする固体高分子型燃料電池。 The polymer electrolyte fuel cell according to any one of claims 1 to 3,
Of the anode facing plate and the cathode facing plate, the plate having the plurality of water supply ports penetrates in the thickness direction of the plate, and from a direction perpendicular to the surface of the laminate, a predetermined number A plurality of reaction gas supply ports for supplying reaction gas to the surface of the laminate,
The intermediate plate is sandwiched between the anode facing plate and the cathode facing plate, thereby forming a reaction gas supply channel for supplying the reaction gas to each of the plurality of reaction gas supply ports. A gas supply flow path forming section;
The solid polymer fuel cell, wherein the plurality of reaction gas supply ports are two-dimensionally distributed on a plate surface of a plate including the plurality of reaction gas supply ports.
前記複数の水供給口および前記複数の反応ガス供給口は、前記アノード対向プレートに備えられており、
前記積層体の表面に供給された前記燃料ガスを、前記固体高分子型燃料電池の外部に排出せず内部に留めた状態で発電を行うことを特徴とする固体高分子型燃料電池。 The polymer electrolyte fuel cell according to claim 4, wherein
The plurality of water supply ports and the plurality of reaction gas supply ports are provided in the anode facing plate,
A solid polymer fuel cell is characterized in that power generation is performed in a state in which the fuel gas supplied to the surface of the laminate is not discharged to the outside of the solid polymer fuel cell but kept inside.
前記複数の水供給口は、該複数の水供給口を備えるプレートのプレート面において、略等間隔の位置に形成されていることを特徴とする固体高分子型燃料電池。 The polymer electrolyte fuel cell according to any one of claims 1 to 5,
The polymer electrolyte fuel cell, wherein the plurality of water supply ports are formed at substantially equal intervals on a plate surface of a plate including the plurality of water supply ports.
前記アノード対向プレートと、前記カソード対向プレートと、前記中間プレートは、それぞれ平板状の部材からなることを特徴とする固体高分子型燃料電池。 The polymer electrolyte fuel cell according to any one of claims 1 to 6,
The anode-facing plate, the cathode-facing plate, and the intermediate plate are each made of a flat plate-like member.
前記アノード対向プレートが、前記複数の水供給口を備えることを特徴とする固体高分子型燃料電池。 A polymer electrolyte fuel cell according to any one of claims 1 to 7,
The polymer electrolyte fuel cell, wherein the anode facing plate includes the plurality of water supply ports.
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