JP2007305325A - Fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、単電池からなる燃料電池、または単電池が複数積層されてなる燃料電池に関する。 The present invention relates to a fuel cell composed of single cells or a fuel cell in which a plurality of single cells are stacked.
電解質に無機酸化物が用いて、比較的高い運転温度で稼働される燃料電池システム、例えば、固体酸化物形燃料電池(SOFC)、水素透過膜形燃料電池(HMFC)が知られている。発電効率の観点からは、電解質は薄いことが望まれるが、無機酸化物は、一般的に脆い特性を有している。したがって、薄い無機酸化物を電解質に用いる燃料電池システムにおいては、電解質を支持、補強するための支持フレームを備えることが好ましい。 2. Description of the Related Art Fuel cell systems that use inorganic oxide as an electrolyte and operate at a relatively high operating temperature, for example, solid oxide fuel cells (SOFC) and hydrogen permeable membrane fuel cells (HMFC) are known. From the viewpoint of power generation efficiency, a thin electrolyte is desired, but inorganic oxides generally have brittle characteristics. Therefore, in a fuel cell system using a thin inorganic oxide as an electrolyte, it is preferable to include a support frame for supporting and reinforcing the electrolyte.
例えば、固体電解質の一面に水素透過性金属層が形成され、他面にカソード電極が形成される膜電極接合体を備える水素分離膜形燃料電池では、膜電極接合体を補強するために、膜電極接合体の外縁を支持する支持フレームが用いられる(例えば、特許文献1参照)。 For example, in a hydrogen separation membrane fuel cell including a membrane electrode assembly in which a hydrogen permeable metal layer is formed on one surface of a solid electrolyte and a cathode electrode is formed on the other surface, a membrane is used to reinforce the membrane electrode assembly. A support frame that supports the outer edge of the electrode assembly is used (see, for example, Patent Document 1).
しかしながら、高い運転温度で稼働される燃料電池システムでは、支持フレームにも耐熱性が要求される。カーボン材は高い稼働温度で使用されることによって脆くなり、単電池積層時における締結荷重に対する強度が不十分となり、セラミックス材は耐熱性に優れるものの、単電池積層時における締結荷重に対して十分な強度を有していないという課題がある。したがって、支持フレームとして金属製の支持フレームが用いられる傾向にある。 However, in a fuel cell system operated at a high operating temperature, the support frame is also required to have heat resistance. Carbon materials become brittle when used at high operating temperatures, and the strength against fastening load when stacking single cells is insufficient. Ceramic materials are excellent in heat resistance, but sufficient for fastening load when stacking single cells. There is a problem of not having strength. Therefore, a metal support frame tends to be used as the support frame.
また、金属製セパレータまたは支持フレームには、反応ガス供給マニホールドから膜電極接合体に対して反応ガスを導くための、あるいは、膜電極接合体から反応ガス排出マニホールドに対して反応に供された反応ガスを導くための整流フィンが形成若しくは備えられている。一般的に、膜電極接合体を含む支持フレームは、ガスケットを介して金属製セパレータによって挟持される。 In addition, the metal separator or the support frame is used to introduce a reaction gas from the reaction gas supply manifold to the membrane electrode assembly, or from the membrane electrode assembly to the reaction gas discharge manifold. A rectifying fin for guiding gas is formed or provided. Generally, a support frame including a membrane electrode assembly is sandwiched between metal separators via a gasket.
したがって、例えば、金属製支持フレームに導電性を有する整流フィンが形成されている場合であって、整流フィンの高さが高い場合には、金属製セパレータと金属製支持フレームとの間で短絡が発生してしまうという問題があった。一方、短絡を回避するために、整流フィンの高さを低くすれば十分な整流効果を得ることができないという問題があった。 Therefore, for example, when conductive rectifying fins are formed on a metal support frame and the height of the rectifying fins is high, a short circuit occurs between the metal separator and the metal support frame. There was a problem that it occurred. On the other hand, if the height of the rectifying fins is lowered to avoid a short circuit, there is a problem that a sufficient rectifying effect cannot be obtained.
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、金属製セパレータおよび金属製支持フレームを備える燃料電池において、短絡の防止と整流効果とを両立させ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 achieve both prevention of a short circuit and a rectifying effect in a fuel cell including a metal separator and a metal support frame.
上記課題を解決するために本発明の第1の態様は、燃料電池を提供する。本発明に第1の態様に係る燃料電池は、膜電極接合体と、前記膜電極接合体の外縁を支持する板状の金属製支持フレームであって、1または複数のへこみ部を有する金属製支持フレームと、前記金属製支持フレームの両面に配置される一対の金属製セパレータであって、各前記へこみ部に対応する1または複数の突状部を有する金属製セパレータと、前記金属製支持フレームと前記一対の金属製セパレータとによって形成される反応ガス内部流路と、前記金属製支持フレームと前記一対の金属製セパレータとの間に配置される絶縁性シール部材であって、各前記金属製セパレータと前記金属製支持フレームとの離間距離を、前記各突状部と前記各へこみ部とによって形成される流路の圧損が前記反応ガス内部流路の圧損よりも高くなると共に、前記各突状部の先端と前記各へこみ部の底部とが離間する距離に規定する絶縁性シール部材とを備える。 In order to solve the above problems, a first aspect of the present invention provides a fuel cell. A fuel cell according to a first aspect of the present invention is a metal electrode having a membrane electrode assembly and a plate-like metal support frame that supports an outer edge of the membrane electrode assembly, and having one or a plurality of indentations. A support frame; a pair of metal separators disposed on both sides of the metal support frame, the metal separator having one or more projecting portions corresponding to the respective indentations; and the metal support frame A reaction gas internal flow path formed by the metal separator and the pair of metal separators, and an insulating seal member disposed between the metal support frame and the pair of metal separators. The separation distance between the separator and the metal support frame is such that the pressure loss of the flow path formed by the protrusions and the recesses is higher than the pressure loss of the reaction gas internal flow path. And an insulating sealing member defining the distance which the the bottom of the tip and the respective recess of the protruding portion is separated.
本発明の第1の態様に係る燃料電池によれば、各金属製セパレータと金属製支持フレームとの離間距離が各突状部の長さ以下であると共に、各突状部の先端と各へこみ部の底部とが離間しているので、金属製支持フレームと一対の金属製セパレータとの間における短絡を防止することができると共に、十分な整流効果を得ることができる。 According to the fuel cell of the first aspect of the present invention, the distance between each metal separator and the metal support frame is equal to or less than the length of each protrusion, and the tip of each protrusion and each recess. Since the bottom part of the part is separated, a short circuit between the metal support frame and the pair of metal separators can be prevented, and a sufficient rectifying effect can be obtained.
本発明の第2の態様は、燃料電池を提供する。本発明の第2の態様に係る燃料電池は、1または複数のへこみ部を有する一対の金属製セパレータと、膜電極接合体と、前記膜電極接合体の外縁を支持する板状の金属製支持フレームであって、前記一対の金属製セパレータがその両面に配置されると共に各前記へこみ部に対応する1または複数の突状部を有する金属製支持フレームと、前記金属製支持フレームと前記一対の金属製セパレータとによって形成される反応ガス内部流路と、前記金属製支持フレームと前記一対の金属製セパレータとの間に配置される絶縁性シール部材であって、各前記金属製セパレータと前記金属製支持フレームとの離間距離を、前記各突状部と前記各へこみ部とによって形成される流路の圧損が前記反応ガス内部流路の圧損よりも高くなると共に、前記各突状部の先端と前記各へこみ部の底部とが離間する距離に規定する絶縁性シール部材とを備える。 A second aspect of the present invention provides a fuel cell. The fuel cell according to the second aspect of the present invention includes a pair of metal separators having one or a plurality of indentations, a membrane electrode assembly, and a plate-like metal support that supports the outer edge of the membrane electrode assembly. A metal support frame having one or a plurality of protrusions corresponding to each of the recesses, the metal support frame and the pair of metal separators being disposed on both surfaces of the pair of metal separators A reactive gas internal flow path formed by a metal separator, and an insulating seal member disposed between the metal support frame and the pair of metal separators, each of the metal separator and the metal The separation distance from the manufactured support frame is such that the pressure loss of the flow path formed by each of the protrusions and the recesses is higher than the pressure loss of the reaction gas internal flow path. Comprising a tip with an insulating sealing member, wherein the prescribed distance of the bottom of each recess is separated.
本発明の第2の態様に係る燃料電池によれば、各金属製セパレータと金属製支持フレームとの離間距離が各突状部の長さ以下であると共に、各突状部の先端と各へこみ部の底部とが離間しているので、金属製支持フレームと一対の金属製セパレータとの間における短絡を防止することができると共に、十分な整流効果を得ることができる。 According to the fuel cell of the second aspect of the present invention, the separation distance between each metal separator and the metal support frame is equal to or less than the length of each protrusion, and the tip of each protrusion and each recess. Since the bottom part of the part is separated, a short circuit between the metal support frame and the pair of metal separators can be prevented, and a sufficient rectifying effect can be obtained.
本発明の第1または第2の態様に係る燃料電池において、前記シール部材は、前記各突状部の先端部が前記各へこみ部の開口面と同一面内または前記各へこみ部に内包されるように前記離間距離を規定することによって、前記各突状部と前記各へこみ部とによって形成される流路の圧損を前記反応ガス内部流路の圧損よりも高くしても良い。各突状部の先端部が各へこみ部の開口面と同一面内または各へこみ部に内包されることによって、各突状部と各へこみ部とによって形成される流路に流れるためには流動方向が変更されることとなり、圧損が増大する。 In the fuel cell according to the first or second aspect of the present invention, the seal member includes a tip portion of each protrusion in the same plane as the opening surface of each recess or included in each recess. By defining the separation distance as described above, the pressure loss of the flow path formed by the protrusions and the recesses may be higher than the pressure loss of the reaction gas internal flow path. In order to flow in the flow path formed by each protrusion and each dent, the tip of each protrusion is included in the same plane as the opening surface of each dent or included in each dent. The direction is changed, and the pressure loss increases.
本発明の第1または第2の態様に係る燃料電池において、前記一対の金属製セパレータはさらに、前記膜電極接合体に対して反応ガスを供給するための反応ガス供給部を有し、前記各突状部は、前記反応ガス供給部と前記膜電極接合体との間に形成され、前記反応ガス供給部から前記膜電極接合体へ供給される反応ガスを整流する整流部であっても良い。この構成では、各突状部によって、反応ガス供給部から膜電極接合体へ所望の整流が施された反応ガスを供給することができる。 In the fuel cell according to the first or second aspect of the present invention, the pair of metal separators further includes a reaction gas supply unit for supplying a reaction gas to the membrane electrode assembly, The protruding portion may be a rectification unit that is formed between the reaction gas supply unit and the membrane electrode assembly and rectifies the reaction gas supplied from the reaction gas supply unit to the membrane electrode assembly. . In this configuration, it is possible to supply the reaction gas that has undergone desired rectification from the reaction gas supply unit to the membrane electrode assembly by each protrusion.
本発明の第1または第2の態様に係る燃料電池において、前記一対の金属製セパレータはさらに、前記膜電極接合体から反応ガスを排出するための反応ガス排出部を備え、前記各突状部は、前記膜電極接合体と前記反応ガス排出部との間に形成され、前記膜電極接合体から前記反応ガス排出部へ排出される反応ガスを整流する整流部であっても良い。この構成では、各突状部によって、膜電極接合体から反応ガス排出部へ所望の整流が施された反応ガスを排出することができる。 In the fuel cell according to the first or second aspect of the present invention, the pair of metal separators further includes a reaction gas discharge part for discharging a reaction gas from the membrane electrode assembly, and each protrusion May be a rectification unit that is formed between the membrane electrode assembly and the reaction gas discharge unit and rectifies the reaction gas discharged from the membrane electrode assembly to the reaction gas discharge unit. In this configuration, the reaction gas subjected to desired rectification can be discharged from the membrane electrode assembly to the reaction gas discharge portion by each protrusion.
本発明の第1または第2の態様に係る燃料電池において、前記膜電極接合体は水素分離膜型の膜電極接合体であっても良い。この構成を備えることによって、燃料電池の稼働に必要な運転温度を低くすることができる。 In the fuel cell according to the first or second aspect of the present invention, the membrane electrode assembly may be a hydrogen separation membrane type membrane electrode assembly. By providing this configuration, the operating temperature required for the operation of the fuel cell can be lowered.
本発明の第1または第2の態様に係る燃料電池において、前記各突状部および前記各へこみ部は矩形断面を有していても良い。この構成を備えることにより、反応ガスの整流効果を向上させることができる。 In the fuel cell according to the first or second aspect of the present invention, each protrusion and each recess may have a rectangular cross section. By providing this configuration, the rectifying effect of the reaction gas can be improved.
本発明の第1または第2の態様に係る燃料電池において、前記膜電極接合体と前記各金属製セパレータとの間にはそれぞれ拡散層が配置されていても良い。この構成を備えることによって、反応ガスの拡散性を向上させることができる。 In the fuel cell according to the first or second aspect of the present invention, a diffusion layer may be disposed between the membrane electrode assembly and each metal separator. By providing this configuration, the diffusibility of the reaction gas can be improved.
以下、本発明に係る燃料電池について図面を参照しつつ、実施例に基づいて説明する。 Hereinafter, a fuel cell according to the present invention will be described based on examples with reference to the drawings.
・燃料電池システムの構成
図1〜図5を参照して、以下の実施例において共通して用いられる燃料電池システムFCSについて説明する。図1は本実施例に用いられる燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。図2は図1における燃料電池を切断線X−Xで切断した切断面の一部を示す説明図である。図3は本実施例に用いられる金属製支持フレームのアノード側を示す説明図である。図4は本実施例に用いられる金属製支持フレームのカソード側を示す説明図である。図5は本実施例に用いられるアノード側金属製セパレータの金属製支持フレームとの対向面を示す説明図である。
Configuration of Fuel Cell System A fuel cell system FCS that is commonly used in the following embodiments will be described with reference to FIGS. FIG. 1 is an explanatory diagram showing a schematic configuration of a fuel cell system used in this embodiment. FIG. 2 is an explanatory view showing a part of a cut surface of the fuel cell in FIG. 1 cut along a cutting line XX. FIG. 3 is an explanatory view showing the anode side of the metal support frame used in this embodiment. FIG. 4 is an explanatory view showing the cathode side of the metal support frame used in this embodiment. FIG. 5 is an explanatory view showing the surface of the anode-side metal separator used in this embodiment that faces the metal support frame.
本実施例に係る燃料電池システムFCSは、単電池100が複数積層された積層体からなる燃料電池FC、燃料電池FCに対して燃料ガスである水素ガスを供給する燃料ガス供給源としての改質器FRを備えている。燃料ガス供給源として改質器FRを用いることによって、燃料電池FCの運転温度域と同等温度の燃料ガスを燃料電池FCに投入することができる。燃料電池FCは、燃料ガス(アノードガス)供給部25a、酸化ガス(カソードガス)供給部26a、冷媒供給部27a、燃料ガス排出部25b、酸化ガス排出部26b、冷媒排出部27bを備えている。
The fuel cell system FCS according to the present embodiment includes a fuel cell FC formed of a stacked body in which a plurality of
燃料電池FCの燃料ガス供給部25aと改質器FRとは燃料ガス供給管200を介して接続されている。燃料ガス供給管200の改質器FR近傍には、燃料電池FCに供給する燃料ガス圧力を所定圧力に調整するための調圧弁V1が配置されている。なお、燃料ガスには、例えば、純水素、水素含有ガス(水素リッチガス)が用いられ、酸化ガスには空気(大気)が用いられる。
The fuel
燃料ガス排出部25bには燃料ガス排出管201が接続されている。本実施例では、燃料ガス排出管201は、大気に通じる排出分岐管201aと燃料ガス供給管200に接続される循環分岐管201bとに分岐されている。排出分岐管201aにはバルブV2が配置されており、バルブV2が閉じられると、燃料ガス排出部25bから排出される燃料オフガスは、再度、燃料電池FC内部に供給される。一方、バルブV2が開かれると、燃料ガス排出部25bから排出される燃料オフガスは、大気中に排出される。なお、バルブV2が開かれる時の燃料オフガスの組成は、一般的に、窒素、水蒸気がそのほとんどを占めている。
A fuel
燃料ガス供給部25aから燃料電池FC内部に供給される燃料ガスは、支持フレーム50、セパレータ60a、60b、およびシール部材10によって形成される燃料ガス供給マニホールド20aを介して、電解質膜のアノードへと供給される。電解質膜にて消費された燃料ガスは、支持フレーム50、セパレータ60a、60b、およびシール部材10によって形成される燃料ガス排出マニホールド20bを介して燃料ガス排出部25bから燃料ガス排出管201へ排出される。
The fuel gas supplied from the fuel
図示しない酸化ガス供給ポンプによって、酸化ガス供給部26aから燃料電池FC内部に供給される酸化ガス(一般的には、空気)は、支持フレーム50、セパレータ60a、60b、およびシール部材10によって形成される酸化ガス供給マニホールド21aを介して、電解質膜のカソードへと供給される。電解質膜にて起電反応に供された酸化ガスは、支持フレーム50、セパレータ60a、60b、およびシール部材10によって形成される酸化ガス排出マニホールド21bを介して酸化ガス排出部26bから燃料電池FC外部へと排出される。
An oxidizing gas (generally air) supplied from the oxidizing
冷媒供給部27aから燃料電池FC内部に供給される冷媒(一般的には、純水)は、支持フレーム50、セパレータ60a、60b、およびシール部材10によって形成される冷媒供給マニホールド22aを介して、セパレータ60a、60bの裏面(電解質膜と対向しない面)に形成されている冷媒流路へと供給される。冷媒流路に供給され、起電反応に伴い発生した熱の一部を吸熱した冷媒は、支持フレーム50、セパレータ60a、60b、およびシール部材10によって形成される冷媒排出マニホールド22bを介して冷媒排出部27bから図示しない放熱器に導かれる。放熱器に導かれた冷媒は、循環ポンプによって繰り返し、冷媒供給部27aへと供給される。
The refrigerant (generally pure water) supplied from the
図2を参照して、燃料電池FCを構成する単電池100の内部構成について簡単に説明する。単電池100は、1対の金属製セパレータ60a、60bと、1対の金属製セパレータ60a、60bとの間に配置される金属製の支持フレーム50を燃料電池構成部材として備えている。
With reference to FIG. 2, the internal structure of the
金属製セパレータ60a、60bは燃料ガスと酸化ガスとを分離するために用いられるガス不透過で導電性を有する板材である。各セパレータ60a、60bの裏面、すなわち、セパレータ60aとセパレータ60bとの接触面には冷媒を流動させるための複数の冷媒流路62a、62bが形成されている。各セパレータ60a、60bは、例えば、耐腐食性に優れるステンレス製材料から形成される。
The
金属製支持フレーム50は、非自立型の膜電極接合体(MEA:Membrane Electrode Assembly)30を支持するための金属製フレームであり、本実施例においてはアノード側全体にわたって膜電極接合体30を支持するための格子状部56を備えている。格子状部56は、膜電極接合体30に対して燃料ガスを導くための複数の孔561を備えている。金属製支持フレーム50は、例えば、耐腐食性に優れるステンレス製材料から形成される。金属製支持フレーム50と膜電極接合体30は、例えば、公知のクラッド法、レーザー溶接によって互いに接合される。
The
本実施例において用いられる膜電極接合体30は、水素透過膜形の膜電極接合体である。膜電極接合体30は、電解質層31、水素透過膜層32およびカソード33を備えている。
The
電解質層31は、プロトン伝導性を有する固体電解質によって形成されている。本実施例では、ペロブスカイト型固体酸化物、例えば、BaCe0.8Y0.2O3や、SrZr0.8In0.2O3にによって電解質層31が形成されている。電解質層31は、緻密な水素透過膜層32上に成膜されるため、充分な薄膜化が可能となる。このように、電解質層21をより薄く形成することによって電解質層21の膜抵抗を低減することができるため、従来の固体電解質型燃料電池の運転温度よりも低い温度、例えば、400℃〜600℃で燃料電池を運転することができる。
The
水素透過膜層32は、水素透過性を有する金属によって形成される層であり、本実施例では、パラジウム(Pd)によって形成されている。パラジウムは、水素を透過させる性質に加えて、水素が透過する際に水素分子を解離させる活性を有する。水素透過膜層32は更に、燃料電池FCにおけるアノードとして機能する。
The hydrogen
カソード34は、電解質層32上に成膜された金属層であり、電気化学反応を促進する触媒活性を有する貴金属により形成されている。本実施例では、カソード24はパラジウムにより形成されている。カソード34を、白金(Pt)等、水素透過性を有しない他種の貴金属により構成する場合には、充分に薄く形成するなどにより、カソード34の外側(セパレータ60a側)と電解質層31との間にガス透過性を確保すればよい。
The cathode 34 is a metal layer formed on the
本実施例では支持フレーム50の格子状部56とセパレータ60bによって形成される燃料ガス内部流路37a、およびカソード34とセパレータ60aとによって形成される酸化ガス内部流路37cには、ガス拡散性を向上させるために、アノード側ガス拡散層38a、カソード側ガス拡散層38cがそれぞれ備えられている。各ガス拡散層38a、38cは、多孔質層であり、導電性及びガス透過性を有する部材によって構成されている。各ガス拡散層38a、38cとしては、例えば、発泡金属や金属メッシュなどの金属多孔質体やカーボンペーパなどのカーボン製多孔質体を用いることができる。
In the present embodiment, the gas diffusion property is given to the fuel gas
金属製支持フレーム50と金属製セパレータ60a、60bとの間には、燃料ガスおよび酸化ガスを単電池100内部に止めるための燃料電池用シール部材10が配置されている。燃料電池用シール部材10は、耐熱性、シール性、絶縁性に優れた材料、例えば、無機材料から形成されている。
Between the
図1に示す燃料ガス供給マニホールド25aに供給された燃料ガスはアノード側ガス拡散層38a介して膜電極接合体30のアノード側に供給される。酸化ガス供給マニホールド26aに供給された酸化ガスはカソード側ガス拡散層38c介して膜電極接合体30のカソード側に供給される。
The fuel gas supplied to the fuel
図3および4を参照して金属製支持フレーム50について説明する。先ず、金属製支持フレーム50のアノード面(図3)とカソード面(図4)において共通する構成について以下に説明する。金属製支持フレーム50は、積層時にセパレータ60a、60b、シール部材10と共に、燃料ガス供給マニホールド25aを形成する燃料ガス供給マニホールド形成部520a、燃料ガス排出マニホールド25bを形成する燃料ガス排出マニホールド形成部520bを備えている。金属製支持フレーム50は同様に、酸化ガス供給マニホールド26aを形成する酸化ガス供給マニホールド形成部521a、酸化ガス排出マニホールド26bを形成する酸化ガス排出マニホールド形成部521bを備えている。金属製支持フレーム50はさらに、積層時に冷媒供給マニホールド27aを形成する冷媒供給マニホールド形成部522a、冷媒排出マニホールド27bを形成する冷媒排出マニホールド形成部522bを備えている。
The
金属製支持フレーム50のアノード面およびカソード面の両面には、燃料ガス内部流路37a、酸化ガス内部流路37cを流れる各反応ガスを所望の方向へ整流するために金属製セパレータ60a、60bに形成されている突状部(整流部とも言う)61の先端部を受け入れるためのへこみ部51が複数形成されている。へこみ部51は、例えば、切削加工、エッチング処理によって金属製支持フレーム50上に形成される。突状部61とへこみ部51との関係については後述する。
On both sides of the anode surface and the cathode surface of the
金属製支持フレーム50のアノード面には、既述の通り、膜電極接合体30をアノード側底面から支持する格子状部56が備えられている。格子状部56は金属製支持フレーム50の製造時に打ち抜き加工によって形成されても良く、あるいは、金属製支持フレーム50に対応する開口部を形成しておき、パンチングメタル、エキスパンドメタルといった複数の孔、またはスリットを有する別部材を接合することによって備えられても良い。なお、金属製支持フレーム50は、膜電極接合体30の少なくとも外縁を支持すれば良いので、格子状部56を備えることなく、膜電極接合体30の外縁を受けるためのフランジ部を有する開口部のみを備えていても良い。この場合、金属製支持フレーム50のカソード面から見た開口部の面積は膜電極接合体30の面積と略同一であり、アノード面の開口部面積は、フランジ部の面積分だけカソード面の開口部面積よりも小さい。
On the anode surface of the
図5を参照して本実施例に用いられる金属製セパレータ60bについて説明する。金属製セパレータ60bは、積層時に金属製支持フレーム50、シール部材10と共に、燃料ガス供給マニホールド25aを形成する燃料ガス供給マニホールド形成部620a、燃料ガス排出マニホールド25bを形成する燃料ガス排出マニホールド形成部620bを備えている。金属製セパレータ60bは同様に、酸化ガス供給マニホールド26aを形成する酸化ガス供給マニホールド形成部621a、酸化ガス排出マニホールド26bを形成する酸化ガス排出マニホールド形成部621bを備えている。金属製セパレータ60bはさらに、積層時に冷媒供給マニホールド27aを形成する冷媒供給マニホールド形成部622a、冷媒排出マニホールド27bを形成する冷媒排出マニホールド形成部622bを備えている。
The
金属製セパレータ60bにおける金属製支持フレーム50との対向面には、燃料ガス内部流路37a、酸化ガス内部流路37cを流れる各反応ガスを所望の方向へ整流するための突状部61が複数形成されている。突状部61は、例えば、切削加工、エッチング処理、プレス加工によって金属製セパレータ60b上に形成される。
A plurality of
ここでは、アノード側の金属製セパレータ60bを例にとって説明したが、カソード側のセパレータ60aにも同様に複数のマニホールド形成部が形成されていると共に、複数の突状部61が形成されている。
Here, the anode-
突状部61とへこみ部51の構成:
図6〜図8を参照して突状部61とへこみ部51の構成について詳述する。図6は単電池をアノード側から見た平面図であり、説明のため、金属製支持フレームに形成されている構成、金属製支持フレームと金属製セパレータとの間に配置されている構成部材を点線にて示している。図7は図6中のY−Y切断線で単電池を切断した断面を示す断面図である。図8は図7中の突状部とへこみ部とを拡大して示す説明図である。
Configuration of the projecting
The configuration of the
図6は金属製支持フレーム50におけるアノード面を示しているため、燃料ガス供給マニホールド形成部520aおよび燃料ガス排出マニホールド形成部520bにはシール部材10が配置されていない。したがって、燃料ガス供給マニホールド形成部520aから燃料ガス内部流路37aに供給された燃料ガスは、矢印にて示すように、複数の整流部61によって整流され、燃料ガス排出マニホールド形成部520bへと導かれる。
Since FIG. 6 shows the anode surface of the
なお、図6に示す燃料ガスの整流方向は例示であり、条件に応じて適宜変更される。例えば、燃料ガスおよび酸化ガスは金属製支持フレーム50の長手方向に対して平行に流れるように整流部61が配置されても良い。すなわち、整流部61の配置パターンは、燃料ガスをどのように流すかによって適宜配置される。
In addition, the rectification direction of the fuel gas shown in FIG. 6 is an example, and is appropriately changed according to conditions. For example, the rectifying
なお、金属製支持フレーム50のカソード面については図示しないが、金属製支持フレーム50における酸化ガス供給マニホールド形成部521aおよび酸化ガス排出マニホールド形成部521bにはシール部材10が配置されない。したがって、酸化ガス供給マニホールド形成部521aから酸化ガス内部流路37cに供給された酸化ガスは、複数の整流部61によって整流され、酸化ガス排出マニホールド形成部521bへと導かれる。
Although the cathode surface of the
図6から明らかなように、各へこみ部51に受け入れられている各突状部61の先端部の外壁は、各へこみ部51の内壁から離間しており、各突状部61と各へこみ部51との間に電気的な接触はない。各突状部61と各へこみ部51との位置的関係について図7および図8を参照して説明する。
As is clear from FIG. 6, the outer wall of the tip of each
図7および図8に示すとおり、各突状部61と各へこみ部51とは、金属製支持フレーム50および金属製セパレータ60a、60bの面と平行な方向のみならず、垂直な方向においても互いに離間して配置されている。すなわち、シール部材10の厚さ(高さ)は、各突状部61の先端部と各へこみ部51の底面との間に所定の隙間が形成される厚さとされている。
As shown in FIGS. 7 and 8, the
整流部は、本来、流体の流れ方向を整流部に沿う方向(概ね整流部に平行な方向)へと規制することによって、流体の流れを整流する。しかしながら、整流部の先端部と支持フレームとが離間していると、流体が整流部の先端部を跨いで(すり抜けて)、すなわち、流体が整流部と交差する方向に流れてしまうため、所期の整流効果を得ることができない。したがって、一般的に、整流部によって整流効果を得るためには整流部の高さは高い方が好ましい。すなわち、セパレータに整流部が形成されている場合には、整流部の先端部と支持フレームとが近接していることが好ましい。 The rectifying unit rectifies the flow of the fluid by restricting the flow direction of the fluid to a direction along the rectifying unit (a direction substantially parallel to the rectifying unit). However, if the tip of the rectifying unit and the support frame are separated from each other, the fluid straddles (passes through) the tip of the rectifying unit, that is, the fluid flows in a direction crossing the rectifying unit. The rectifying effect of the period cannot be obtained. Therefore, in general, in order to obtain a rectifying effect by the rectifying unit, the height of the rectifying unit is preferably high. That is, when the rectification | straightening part is formed in the separator, it is preferable that the front-end | tip part of a rectification | straightening part and a support frame are adjoining.
一方、支持フレームおよびセパレータが導電性材料にて形成されている場合には、整流部の先端部と支持フレームとが接触することによって、支持フレームとセパレータとの間で短絡が発生してしまう。燃料電池においては、積層方向に締結荷重が加えられるので、積層方向と整流部の先端部の延伸方向とが一致する場合には、整流部の先端部と支持フレームとをある程度離間させることが要求される。この結果、整流効果の低下を招いてしまう。 On the other hand, when the support frame and the separator are made of a conductive material, a short circuit occurs between the support frame and the separator due to contact between the tip of the rectifying unit and the support frame. In a fuel cell, since a fastening load is applied in the stacking direction, if the stacking direction and the extending direction of the tip of the rectifying unit match, the tip of the rectifying unit and the support frame are required to be separated to some extent. Is done. As a result, the rectification effect is reduced.
これに対して、本実施例に係る燃料電池FCでは、整流部としての各突状部61の先端部が各へこみ部51内に配置される構成を採ることによって絶縁と整流効果の両立を図っている。本実施例においては、突状部61の先端部がへこみ部51内に配置されるので、図7および図8中に矢印F1で示すスリップ流が突状部61を跨ぐためには流れの向きが概ね90度、すなわち、水平方向から垂直方向に変更されなければならない。一般的に、流れの向きの変更は抵抗となり、流体は抵抗の少ない部分に流れる特性を有しているため変更された向きへの流れは抑制または排除される。さらに、本実施例においては、突状部61の外壁とへこみ部51の内壁との離間距離が短く、両者61、51によって形成される流路511の圧損(流路抵抗)は、燃料ガス内部流路37aまたは酸化ガス内部流路37cと比較すると、極めて大きくなる。本実施例において、流路511の圧損と反応ガス内部流路37a、37cの圧損との比率は、例えば、10:1である。
On the other hand, in the fuel cell FC according to the present embodiment, both the insulation and the rectifying effect are achieved by adopting a configuration in which the tip of each protruding
この結果スリップ流F1の流れの向きは、矢印F2で示す向きへと変更され、突状部61を跨ぐ流れを抑制または排除することができる。また、突状部61を跨ぐ流れは、流れの向きが変更されること、流路511の大きな圧損によって抑制または防止されるので、突状部61の先端部とへこみ部51の底部との離間距離を比較的大きく採ることができる。したがって、積層時に印加される締結荷重を考慮した離間距離とすれば、金属製支持フレーム50と金属製セパレータ60a、60bとの電気的な接触を防止することができる。なお、単電池100の積層時には、積層方向に垂直な方向、すなわち、金属製支持フレーム50、金属製セパレータ60a、60bの面と平行な方向、への移動、ズレはほとんど生じないので、突状部61の外壁とへこみ部51の内壁との離間距離は突状部61の先端部とへこみ部51の底部との離間距離よりも短くて良い。
As a result, the direction of the flow of the slip flow F1 is changed to the direction indicated by the arrow F2, and the flow straddling the protruding
なお、突状部61およびへこみ部51の形状は、スリップ流の流れの向きを変えるためには矩形、または、はっきりとしたエッジを有する形状であることが望ましいが、他の形状であっても良い。例えば、突状部61が半球状の先端部を有し、へこみ部51が半球状のへこみを有していても良い。
In addition, in order to change the direction of the flow of the slip flow, it is desirable that the shape of the protruding
以上説明したように本実施例に係る燃料電池FCによれば、整流部として金属製セパレータ60a、60bに形成されている各突状部61の先端部が金属製支持フレーム50に形成されている各へこみ部51内に配置されている。したがって、突状部61の先端部とへこみ部51の底部との離間距離を比較的大きく採り金属製支持フレーム50と金属製セパレータ60a、60bとの間の絶縁を図ることができると共に、突状部61を跨ぐスリップ流を抑制または防止して整流効果を向上することができる。
As described above, according to the fuel cell FC according to the present embodiment, the tips of the protruding
なお、本実施例は図9に示すように変更されても良い。図9は本実施例の変形例を示す説明図である。上記実施例においては、金属製セパレータ60a、60bに突状部61が形成され、金属製支持フレーム50にへこみ部51が形成されていた。これに対して、本変形例では、金属製支持フレーム50に突状部52が形成され、金属製セパレータ60a(60b)にへこみ部63が形成される。本変形例においてもへこみ部63に対する突状部52の挿入代はシール部材10の高さ(厚さ)によって調整される。
The present embodiment may be modified as shown in FIG. FIG. 9 is an explanatory view showing a modification of this embodiment. In the above embodiment, the
本変形例においても、上記実施例において説明したのと同様の関係が突状部52とへこみ部63との間に存在するので、上記実施例と同様の利点を得ることができる。
Also in this modification, since the same relationship as described in the above embodiment exists between the protruding
・その他の実施例:
(1)上記各実施例では水素透過膜形の膜電極接合体を例にとって説明したが、支持フレームによる支持が必要な非自立型の固体酸化物形の膜電極接合体に対しても適用され得ることは言うまでもない。非自立型の固体酸化物形膜電極接合体においても、締結過重、高い稼働温度の観点から膜電極接合体を支持するフレームとして金属製材料を用いなくてはならず、金属製支持フレームと金属製セパレータとの間における絶縁性を確保しなければならないからである。
Other examples:
(1) Although the hydrogen permeable membrane type membrane electrode assembly has been described as an example in each of the above embodiments, it can be applied to a non-self-supporting solid oxide type membrane electrode assembly that needs to be supported by a support frame. Needless to say you get. Even in a non-self-supporting solid oxide membrane electrode assembly, a metal material must be used as a frame for supporting the membrane electrode assembly from the viewpoint of fastening weight and high operating temperature. This is because it is necessary to ensure insulation between the separator and the separator.
(2)上記実施例においては、突状部61がへこみ部51に内包されている例を用いて説明したが、突状部61の先端部の先端面とへこみ部51の開口面とが同一面内に配置されても良い。この場合にもスリップ流はそのまま突状部61を跨ぐ(通過する)ことができず、スリップ流の抑制または防止を図ることができるからである。
(2) In the above embodiment, the example in which the protruding
(3)上記実施例においては、突状部61(52)の外周とへこみ部51(63)の内壁とが近接している例を用いて説明したが、突状部61の外周とへこみ部51の内壁とをある程度離間させて、突状部61またはへこみ部51に環状の突起または点状の突起を設けることによって反応ガス内部流路37a、37cの圧損よりも流路511の圧損を高くしても良い。
(3) In the above embodiment, the example in which the outer periphery of the protrusion 61 (52) and the inner wall of the recess 51 (63) are close to each other has been described. The pressure loss of the
(4)上記各実施例では、へこみ部51とへこみ部51との間が広く、各へこみ部は溝状に形成されているが、対応する突状部61が配置されていない部分についても切削またはエッチングすることによって薄い壁状部によって突起部61が囲まれるようにしても良い。この場合には、反応ガス内部流路37a、37cの流路断面積を拡大することが可能となり、柔軟に流量の変更に対応することができる。一方、流路511の圧損は反応ガス内部流路37a、37cの圧損よりも高いまま維持することができる。
(4) In each of the above embodiments, the space between the
(5)上記各実施例では、支持フレーム50、セパレータ60a、60bとして金属製材料を用いて説明しているが、その他の導電性材料であって、金属製材料と同等の対締結過重性能を有する材料であれば同様にして用いることができる。この場合には、上記各実施例において用いられた整流部材51によって提供される良好な絶縁性が要求されるからである。
(5) In each of the embodiments described above, the metal material is used as the
(6)上記燃料電池システムの実施例では、格子状部56を備えている金属製支持フレーム50を用いて説明したが、格子状部56を備えることなく開口部を備える金属製フレームを用いても良い。
(6) In the embodiment of the fuel cell system described above, the
(7)上記実施例では、膜電極接合体30を支持する燃料電池構成部材を金属製支持フレーム50と呼んでいるが、電池プレートと呼んでも良い。また、金属製セパレータ60a、60bは流路プレートと呼んでも良い。
(7) In the above embodiment, the fuel cell constituent member that supports the
以上、実施例に基づき本発明を説明してきたが、上記した発明の実施の形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に、本発明にはその等価物が含まれることはもちろんである。 As mentioned above, although this invention was demonstrated based on the Example, embodiment mentioned above is for making an understanding of this invention easy, and does not limit this invention. The present invention can be changed and improved without departing from the spirit and scope of the claims, and it is needless to say that the present invention includes equivalents thereof.
10…燃料電池用シール部材
25a…燃料ガス供給マニホールド
25b…燃料ガス排出マニホールド
26a…酸化ガス供給マニホールド
26b…酸化ガス排出マニホールド
27a…冷媒供給マニホールド
27b…冷媒排出マニホールド
30…膜電極接合体
31…電解質層
32…水素透過膜層
33…カソード
37a…燃料ガス内部流路
37c…酸化ガス内部流路
38a…アノード側ガス拡散層
38c…カソード側ガス拡散層
50…金属製支持フレーム
51…へこみ部
52…突状部(整流部)
56…格子状部
561…孔
520a…燃料ガス供給マニホールド形成部
520b燃料ガス排出マニホールド形成部
521a…酸化ガス供給マニホールド形成部
521b…酸化ガス排出マニホールド形成部
522a…冷媒供給マニホールド形成部
522b…冷媒排出マニホールド形成部
60a…カソードセパレータ
60b…アノードセパレータ
61…突状部(整流部)
62a、62b…冷媒流路
63…へこみ部
620a…燃料ガス供給マニホールド形成部
620b燃料ガス排出マニホールド形成部
621a…酸化ガス供給マニホールド形成部
621b…酸化ガス排出マニホールド形成部
622a…冷媒供給マニホールド形成部
622b…冷媒排出マニホールド形成部
100…単電池
200…燃料ガス供給管
201…燃料ガス排出管
201a…排出分岐管
201b…循環分岐管
FCS…燃料電池システム
DESCRIPTION OF
56 ... Grid-shaped
62a, 62b ...
Claims (8)
膜電極接合体と、
前記膜電極接合体の外縁を支持する板状の金属製支持フレームであって、1または複数のへこみ部を有する金属製支持フレームと、
前記金属製支持フレームの両面に配置される一対の金属製セパレータであって、各前記へこみ部に対応する1または複数の突状部を有する金属製セパレータと、
前記金属製支持フレームと前記一対の金属製セパレータとによって形成される反応ガス内部流路と、
前記金属製支持フレームと前記一対の金属製セパレータとの間に配置される絶縁性シール部材であって、各前記金属製セパレータと前記金属製支持フレームとの離間距離を、前記各突状部と前記各へこみ部とによって形成される流路の圧損が前記反応ガス内部流路の圧損よりも高くなると共に、前記各突状部の先端と前記各へこみ部の底部とが離間する距離に規定する絶縁性シール部材と
を備える燃料電池。 A fuel cell,
A membrane electrode assembly;
A plate-like metal support frame that supports the outer edge of the membrane electrode assembly, and a metal support frame having one or more indentations,
A pair of metal separators disposed on both surfaces of the metal support frame, the metal separator having one or a plurality of protrusions corresponding to each of the dents;
A reaction gas internal flow path formed by the metal support frame and the pair of metal separators;
An insulating seal member disposed between the metal support frame and the pair of metal separators, wherein a distance between each metal separator and the metal support frame is set to each protrusion. The pressure loss of the flow path formed by each of the recesses is higher than the pressure loss of the reaction gas internal flow path, and the distance between the tip of each protrusion and the bottom of each recess is defined. A fuel cell comprising an insulating sealing member.
1または複数のへこみ部を有する一対の金属製セパレータと、
膜電極接合体と、
前記膜電極接合体の外縁を支持する板状の金属製支持フレームであって、前記一対の金属製セパレータがその両面に配置されると共に各前記へこみ部に対応する1または複数の突状部を有する金属製支持フレームと、
前記金属製支持フレームと前記一対の金属製セパレータとによって形成される反応ガス内部流路と、
前記金属製支持フレームと前記一対の金属製セパレータとの間に配置される絶縁性シール部材であって、各前記金属製セパレータと前記金属製支持フレームとの離間距離を、前記各突状部と前記各へこみ部とによって形成される流路の圧損が前記反応ガス内部流路の圧損よりも高くなると共に、前記各突状部の先端と前記各へこみ部の底部とが離間する距離に規定する絶縁性シール部材と
を備える燃料電池。 A fuel cell,
A pair of metal separators having one or more indentations;
A membrane electrode assembly;
A plate-shaped metal support frame that supports an outer edge of the membrane electrode assembly, wherein the pair of metal separators are disposed on both surfaces thereof, and one or a plurality of protrusions corresponding to the indentations are provided. A metal support frame having,
A reaction gas internal flow path formed by the metal support frame and the pair of metal separators;
An insulating seal member disposed between the metal support frame and the pair of metal separators, wherein a distance between each metal separator and the metal support frame is set to each protrusion. The pressure loss of the flow path formed by each of the recesses is higher than the pressure loss of the reaction gas internal flow path, and the distance between the tip of each protrusion and the bottom of each recess is defined. A fuel cell comprising an insulating sealing member.
前記シール部材は、
前記各突状部の先端部が前記各へこみ部の開口面と同一面内または前記各へこみ部に内包されるように前記離間距離を規定することによって、前記各突状部と前記各へこみ部とによって形成される流路の圧損を前記反応ガス内部流路の圧損よりも高くする燃料電池。 The fuel cell according to claim 1 or 2,
The sealing member is
The protrusions and the dents are defined by defining the separation distance so that the front ends of the protrusions are included in the same plane as the opening surface of the dents or included in the dents. A fuel cell in which the pressure loss of the flow path formed by the above is made higher than the pressure loss of the reaction gas internal flow path.
前記一対の金属製セパレータはさらに、前記膜電極接合体に対して反応ガスを供給するための反応ガス供給部を有し、
前記各突状部は、前記反応ガス供給部と前記膜電極接合体との間に形成され、前記反応ガス供給部から前記膜電極接合体へ供給される反応ガスを整流する整流部である燃料電池。 The fuel cell according to any one of claims 1 to 3,
The pair of metal separators further includes a reaction gas supply unit for supplying a reaction gas to the membrane electrode assembly,
Each of the protrusions is a rectification unit that is formed between the reaction gas supply unit and the membrane electrode assembly and rectifies the reaction gas supplied from the reaction gas supply unit to the membrane electrode assembly. battery.
前記一対の金属製セパレータはさらに、前記膜電極接合体から反応ガスを排出するための反応ガス排出部を備え、
前記各突状部は、前記膜電極接合体と前記反応ガス排出部との間に形成され、前記膜電極接合体から前記反応ガス排出部へ排出される反応ガスを整流する整流部である燃料電池。 The fuel cell according to any one of claims 1 to 4, wherein
The pair of metal separators further includes a reaction gas discharge part for discharging reaction gas from the membrane electrode assembly,
Each of the protrusions is a rectification unit that is formed between the membrane electrode assembly and the reaction gas discharge unit and rectifies the reaction gas discharged from the membrane electrode assembly to the reaction gas discharge unit. battery.
前記膜電極接合体は水素分離膜型の膜電極接合体である燃料電池。 The fuel cell according to any one of claims 1 to 5,
The fuel cell is a hydrogen separation membrane type membrane electrode assembly.
前記各突状部および前記各へこみ部は矩形断面を有する燃料電池。 The fuel cell according to any one of claims 1 to 6,
The protrusions and the recesses each have a rectangular cross section.
前記膜電極接合体と前記各金属製セパレータとの間にはそれぞれ拡散層が配置されている燃料電池。 The fuel cell according to any one of claims 1 to 7,
A fuel cell in which a diffusion layer is disposed between the membrane electrode assembly and each metal separator.
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