JP2015002061A - Fuel cell stack - Google Patents
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Abstract
【課題】簡単且つコンパクトな構成で、生成水を良好に排出することができ、所望の発電性能を確保することを可能にする。
【解決手段】燃料電池スタック10を構成する燃料電池11は、カソード側セパレータ14を備える。カソード側セパレータ14には、酸化剤ガス流路30と、前記酸化剤ガス流路30の入口側及び出口側に連なってそれぞれ複数本の連結流路溝36a、38aを有する入口バッファ部32a及び出口バッファ部32bとが設けられる。酸化剤ガス流路30、入口バッファ部32a及び出口バッファ部32bには、酸化剤ガスの流れ方向に向かって流路深さが部分的に減少する深さ変動部40が設けられる。
【選択図】図1[PROBLEMS] To easily discharge generated water with a simple and compact configuration, and to secure desired power generation performance.
A fuel cell constituting a fuel cell stack includes a cathode separator. The cathode-side separator 14 includes an oxidant gas passage 30 and an inlet buffer portion 32a and an outlet having a plurality of connecting passage grooves 36a and 38a connected to the inlet side and the outlet side of the oxidant gas passage 30, respectively. And a buffer unit 32b. The oxidant gas flow path 30, the inlet buffer part 32a, and the outlet buffer part 32b are provided with a depth variation part 40 in which the flow path depth partially decreases in the oxidant gas flow direction.
[Selection] Figure 1
Description
本発明は、電解質膜の両側に電極が設けられる電解質膜・電極構造体とセパレータとが積層される燃料電池を有し、複数の前記燃料電池が積層される燃料電池スタックに関する。 The present invention relates to a fuel cell stack having a fuel cell in which an electrolyte membrane / electrode structure provided with electrodes on both sides of an electrolyte membrane and a separator are stacked, and a plurality of the fuel cells are stacked.
例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜の一面側にアノード電極が、前記電解質膜の他面側にカソード電極が、配設された電解質膜・電極構造体(MEA)を備えている。電解質膜・電極構造体は、一対のセパレータによって挟持されることにより、単位セル(発電セル)が構成されている。この種の燃料電池は、通常、所定の数の単位セルを積層することにより、車載用燃料電池スタックとして使用されている。 For example, in a polymer electrolyte fuel cell, an electrolyte membrane / electrode structure in which an anode electrode is provided on one side of an electrolyte membrane made of a polymer ion exchange membrane and a cathode electrode is provided on the other side of the electrolyte membrane ( MEA). The electrolyte membrane / electrode structure is sandwiched between a pair of separators to constitute a unit cell (power generation cell). This type of fuel cell is normally used as an in-vehicle fuel cell stack by stacking a predetermined number of unit cells.
上記の燃料電池では、一方のセパレータの面内に、アノード電極に対向して燃料ガスを流すための燃料ガス流路(以下、反応ガス流路ともいう)が設けられている。また、他方のセパレータの面内に、カソード電極に対向して酸化剤ガスを流すための酸化剤ガス流路(以下、反応ガス流路ともいう)が設けられている。さらに、各燃料電池を構成し、互いに隣接するセパレータ間には、セパレータ面に沿って電極範囲内に冷却媒体を流すための冷却媒体流路が形成されている。 In the above fuel cell, a fuel gas channel (hereinafter also referred to as a reaction gas channel) for flowing fuel gas is provided in the surface of one separator so as to face the anode electrode. In addition, an oxidant gas flow path (hereinafter also referred to as a reaction gas flow path) for flowing an oxidant gas is provided in the surface of the other separator so as to face the cathode electrode. Furthermore, between each separator which comprises each fuel cell and adjoins mutually, the cooling medium flow path for flowing a cooling medium in the electrode range is formed along the separator surface.
ところで、酸化剤ガス流路では、発電反応により生成された生成水が滞留し易い一方、燃料ガス流路では、MEAを逆拡散した前記生成水が滞留するおそれがある。さらに、セパレータの面内には、投入された水分が凝縮して結露水が発生し易い。このため、滞留水や結露水により流路内が閉塞されて反応ガスの供給不足が惹起され、MEAの膜劣化や発電性能の低下が発生する場合がある。 Meanwhile, in the oxidant gas flow path, the generated water generated by the power generation reaction tends to stay, whereas in the fuel gas flow path, the generated water obtained by reverse diffusion of the MEA may stay. Furthermore, in the surface of the separator, the introduced water is condensed and condensed water is likely to be generated. For this reason, the inside of a flow path is obstruct | occluded by a stagnant water or dew condensation water, the supply shortage of a reactive gas is caused, and the membrane degradation of MEA and the fall of power generation performance may generate | occur | produce.
そこで、例えば、特許文献1に開示されている燃料電池が知られている。この燃料電池は、電解質体の一方の面にアノード電極、他方の面にカソード電極を形成したセルと、燃料プレートと、酸化剤プレートとを備えている。燃料プレートは、燃料ガスが流通する複数の燃料室と、前記燃料室へ前記燃料ガスを供給する燃料導入路と、前記燃料室から排出された燃料排ガスを排出する燃料排出路とを有している。酸化剤プレートは、酸化剤ガスが流通する複数の酸化剤室と、前記酸化剤室へ酸化剤ガスを供給する酸化剤導入路と、前記複数の酸化剤室のそれぞれに独立して設けられ前記酸化剤室から排出された酸化剤排ガスを排出する酸化剤排出路とを有している。 Thus, for example, a fuel cell disclosed in Patent Document 1 is known. This fuel cell includes a cell in which an anode electrode is formed on one surface of an electrolyte body and a cathode electrode is formed on the other surface, a fuel plate, and an oxidizer plate. The fuel plate has a plurality of fuel chambers through which fuel gas flows, a fuel introduction path for supplying the fuel gas to the fuel chamber, and a fuel discharge path for discharging fuel exhaust gas discharged from the fuel chamber. Yes. The oxidant plate is provided independently for each of the plurality of oxidant chambers through which the oxidant gas flows, the oxidant introduction path for supplying the oxidant gas to the oxidant chamber, and the plurality of oxidant chambers. And an oxidant discharge path for discharging the oxidant exhaust gas discharged from the oxidant chamber.
この燃料電池では、セルのアノード側に燃料室、カソード側に酸化剤室が対向するように、前記セルを燃料プレートと酸化剤プレートとによって挟持してセルユニットを構成している。そして、酸化剤排出路は、酸化剤室に連通する第1開口部と外気へ連通する第2開口部とを備えている。その際、断面積は、第1開口部から第2開口部へ向かって漸次小さくなるように形成するとともに、リブの主平面形状が全て同一である。 In this fuel cell, a cell unit is constituted by sandwiching the cell between a fuel plate and an oxidant plate so that a fuel chamber faces the anode side of the cell and an oxidant chamber faces the cathode side. The oxidant discharge path includes a first opening communicating with the oxidant chamber and a second opening communicating with the outside air. At that time, the cross-sectional area is formed so as to gradually decrease from the first opening toward the second opening, and the main planar shapes of the ribs are all the same.
従って、酸化剤排出路は、第1開口部から第2開口部へ向かってガス圧が高くなり、酸化剤ガスの流速が速くなるため、水分が前記酸化剤排出路から勢いよく排出される、としている。 Therefore, in the oxidant discharge path, the gas pressure increases from the first opening toward the second opening, and the flow rate of the oxidant gas increases, so that moisture is discharged from the oxidant discharge path vigorously. It is said.
しかしながら、上記の燃料電池では、流路しぼりである酸化剤排出路が、発電部である酸化剤室の外部に設けられている。このため、発電部以外に非発電領域を設けることが必要になり、燃料電池全体の発電効率が低下するとともに、大型化するという問題がある。 However, in the fuel cell described above, an oxidant discharge path that is a flow passage is provided outside the oxidant chamber that is a power generation unit. For this reason, it is necessary to provide a non-power generation region in addition to the power generation unit, and there is a problem that the power generation efficiency of the entire fuel cell is reduced and the size is increased.
本発明は、この種の問題を解決するものであり、簡単且つコンパクトな構成で、生成水を良好に排出することができ、所望の発電性能を確保することが可能な燃料電池スタックを提供することを目的とする。 The present invention solves this type of problem, and provides a fuel cell stack that can discharge generated water satisfactorily with a simple and compact configuration and can ensure desired power generation performance. For the purpose.
本発明に係る燃料電池スタックは、電解質膜の両側に電極が設けられる電解質膜・電極構造体とセパレータとが積層される燃料電池を有し、複数の前記燃料電池が積層されている。燃料電池スタックには、積層方向に反応ガスを流通させる反応ガス入口連通孔及び反応ガス出口連通孔が形成されている。 The fuel cell stack according to the present invention has a fuel cell in which an electrolyte membrane / electrode structure provided with electrodes on both sides of an electrolyte membrane and a separator are laminated, and a plurality of the fuel cells are laminated. The fuel cell stack is formed with a reaction gas inlet communication hole and a reaction gas outlet communication hole through which the reaction gas flows in the stacking direction.
この燃料電池スタックでは、セパレータには、反応ガス入口連通孔及び反応ガス出口連通孔に連通し、反応ガスをセパレータ面に沿って流通させる反応ガス流路が設けられている。セパレータには、反応ガス流路の入口側及び出口側に連なってそれぞれ複数本の連結流路を有するバッファ部が設けられている。そして、少なくとも反応ガス流路又はバッファ部の連結流路には、反応ガスの流れ方向に向かって流路深さが部分的に減少する深さ変動部が設けられている。 In this fuel cell stack, the separator is provided with a reaction gas flow path that communicates with the reaction gas inlet communication hole and the reaction gas outlet communication hole and distributes the reaction gas along the separator surface. The separator is provided with a buffer portion having a plurality of connection channels connected to the inlet side and the outlet side of the reaction gas channel. At least the reaction gas flow path or the connection flow path of the buffer part is provided with a depth varying portion in which the flow path depth partially decreases in the reaction gas flow direction.
また、この燃料電池スタックでは、少なくとも反応ガス流路又は連結流路内には、複数の凸状部材が断続的に配置されることにより、流路深さが部分的に減少する複数の深さ変動部が設けられることが好ましい。 Further, in this fuel cell stack, a plurality of depths at which the flow path depth is partially reduced by discontinuously disposing a plurality of convex members in at least the reaction gas flow path or the connection flow path. It is preferable that a variable part is provided.
さらに、この燃料電池スタックでは、凸状部材は、少なくとも高さ寸法又は形状の異なる複数種類の前記凸状部材を備えることが好ましい。 Furthermore, in this fuel cell stack, it is preferable that the convex member includes at least a plurality of types of the convex members having different height dimensions or shapes.
本発明によれば、反応ガス流路又はバッファ部の連結流路には、深さ変動部が設けられており、流路深さが減少して圧損(圧力損失)増加部が流路内に部分的に設けられている。このため、流路内では、滞留する生成水や結露水が、圧損の増減によって良好に排出され、排水性の向上が容易に図られる。従って、簡単且つコンパクトな構成で、生成水を良好に排出することができ、所望の発電性能を確保することが可能になる。 According to the present invention, the depth variation portion is provided in the reaction gas flow path or the connection flow path of the buffer portion, and the pressure loss (pressure loss) increase portion is reduced in the flow path by decreasing the flow path depth. Partially provided. For this reason, in the flow path, the staying generated water and dew condensation water are discharged well by the increase and decrease of the pressure loss, and the drainage is easily improved. Therefore, the generated water can be discharged satisfactorily with a simple and compact configuration, and desired power generation performance can be ensured.
図1及び図2に示すように、本発明の第1の実施形態に係る燃料電池スタック10は、複数の燃料電池11が立位姿勢(電極面が鉛直方向に平行)にて矢印A方向に積層される。なお、燃料電池11は、水平姿勢(電極面が水平方向に平行)にて矢印C方向に積層してもよい。
As shown in FIGS. 1 and 2, the
燃料電池11は、電解質膜・電極構造体12と、前記電解質膜・電極構造体12を挟持するカソード側セパレータ14及びアノード側セパレータ16とを備える。カソード側セパレータ14及びアノード側セパレータ16は、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、めっき処理鋼板、あるいはその金属表面に防食用の表面処理を施した薄板状金属セパレータにより構成される。
The
金属セパレータは、平面が矩形状を有するとともに、波形状にプレス加工することにより、断面凹凸形状に成形される。なお、カソード側セパレータ14及びアノード側セパレータ16は、金属セパレータに代えて、例えば、カーボンセパレータにより構成してもよい。
The metal separator has a rectangular planar shape, and is formed into a concavo-convex shape by pressing into a wave shape. The
カソード側セパレータ14及びアノード側セパレータ16は、横長形状を有するとともに、短辺が重力方向(矢印C方向)に向かい且つ長辺が水平方向(矢印B方向)に向かう(水平方向の積層)ように構成される。なお、短辺が水平方向に向かい且つ長辺が重力方向に向かうように構成してもよい。
The cathode-
燃料電池11の長辺方向(矢印B方向)の一端縁部には、矢印A方向に互いに連通して、酸化剤ガス入口連通孔(反応ガス入口連通孔)18aと燃料ガス出口連通孔(反応ガス出口連通孔)20bとが設けられる。酸化剤ガス入口連通孔18aは、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給する。燃料ガス出口連通孔20bは、燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出する。酸化剤ガス入口連通孔18a及び燃料ガス出口連通孔20bは、略長方形状(略三角形状でもよい)を有するとともに、前記酸化剤ガス入口連通孔18aは、前記燃料ガス出口連通孔20bよりも大きな開口面積に設定される。
The oxidant gas inlet communication hole (reactive gas inlet communication hole) 18a and the fuel gas outlet communication hole (reaction) communicate with each other in the arrow A direction at one end edge of the long side direction (arrow B direction) of the
燃料電池11の長辺方向の他端縁部には、矢印A方向に互いに連通して、燃料ガスを供給するための燃料ガス入口連通孔(反応ガス入口連通孔)20aと、酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス出口連通孔(反応ガス出口連通孔)18bとが設けられる。酸化剤ガス出口連通孔18b及び燃料ガス入口連通孔20aは、略長方形状を有するとともに、前記酸化剤ガス出口連通孔18bは、前記燃料ガス入口連通孔20aよりも大きな開口面積に設定される。
A fuel gas inlet communication hole (reactive gas inlet communication hole) 20a for supplying fuel gas, which communicates with each other in the direction of arrow A, and an oxidant gas are communicated with the other end edge in the long side direction of the
燃料電池11の短辺方向(矢印C方向)の両端縁部一方には、矢印A方向に互いに連通して、冷却媒体を供給するための2つの冷却媒体入口連通孔22aが設けられる。燃料電池11の短辺方向の両端縁部他方には、冷却媒体を排出するための2つの冷却媒体出口連通孔22bが設けられる。
Two cooling medium inlet communication holes 22 a for communicating with each other in the direction of arrow A and for supplying a cooling medium are provided at one end of both ends in the short side direction (arrow C direction) of the
冷却媒体入口連通孔22aの開口形状は、矢印B方向に沿って長尺な略長方形状に設定される。冷却媒体出口連通孔22bの開口形状は、矢印B方向に沿って長尺な略長方形状に設定される。
The opening shape of the cooling medium
図2に示すように、電解質膜・電極構造体12は、例えば、フッ素系又は炭化水素系の固体高分子電解質膜24と、前記固体高分子電解質膜24を挟持するカソード電極26及びアノード電極28とを備える。
As shown in FIG. 2, the electrolyte membrane /
カソード電極26及びアノード電極28は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層(図示せず)と、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が前記ガス拡散層の表面に一様に塗布されて形成される電極触媒層(図示せず)とを有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜24の両面に形成される。
The
図3に示すように、カソード側セパレータ14の電解質膜・電極構造体12に向かう面14aには、酸化剤ガス入口連通孔18aと酸化剤ガス出口連通孔18bとを連通する酸化剤ガス流路30が形成される。酸化剤ガス流路30は、水平方向(矢印B方向)に延在し、酸化剤ガスをセパレータ面に沿って長辺方向に流通させる複数本の直線状(又は波状)の流路溝30aを有する。
As shown in FIG. 3, on the
流路溝30aは、矢印B方向に互いに平行して延在する凸状部30b間に形成される。凸状部30bは、カソード側セパレータ14を厚さ方向に波形状に成形することにより、面14a側に突出して設けられる。
The
酸化剤ガス流路30の入口近傍には、入口バッファ部32aが設けられるとともに、前記酸化剤ガス流路30の出口近傍には、出口バッファ部32bが設けられる。入口バッファ部32aは、酸化剤ガス入口連通孔18a及び燃料ガス出口連通孔20bの形状に沿って略三角形状を有するとともに、前記酸化剤ガス入口連通孔18aの近傍に面14a側に突出する複数個のエンボス34aを有する。
An
入口バッファ部32aは、酸化剤ガス流路30の入口と酸化剤ガス入口連通孔18aとを連通させる複数本の連結流路溝36aを有する。連結流路溝36aは、カソード側セパレータ14の上部側から下部側に向かって、順次、長尺になるように設定される。連結流路溝36aは、矢印B方向に向かって下方に傾斜し互いに略平行して延在する連結凸状部36b間に形成される。連結凸状部36bは、カソード側セパレータ14を厚さ方向に波形状に成形することにより、面14a側に突出して設けられる。
The
出口バッファ部32bは、酸化剤ガス出口連通孔18b及び燃料ガス入口連通孔20aの形状に沿って略三角形状を有するとともに、前記酸化剤ガス出口連通孔18bの近傍に面14a側に突出する複数個のエンボス34bを有する。
The
出口バッファ部32bは、酸化剤ガス流路30の出口と酸化剤ガス出口連通孔18bとを連通させる複数本の連結流路溝38aを有する。連結流路溝38aは、カソード側セパレータ14の上部側から下部側に向かって、順次、短尺になるように設定される。連結流路溝38aは、矢印B方向に向かって下方に傾斜し互いに略平行して延在する連結凸状部38b間に形成される。連結凸状部38bは、カソード側セパレータ14を厚さ方向に波形状に成形することにより、面14a側に突出して設けられる。
The
第1の実施形態では、酸化剤ガス流路30、入口バッファ部32a及び出口バッファ部32bの中、少なくとも1つに、例えば、全てに、酸化剤ガスの流れ方向に向かって流路深さが部分的に減少する深さ変動部40が設けられる。酸化剤ガス流路30では、酸化剤ガスが流れ易く、しかも生成水が滞留し易い幅方向(矢印C方向)両端側の流路溝30aに、複数、例えば、3つの深さ変動部40が設けられる。酸化剤ガス流路30では、幅方向内方側の流路溝30aに、例えば、2つの深さ変動部40が設けられ、さらに内方の前記流路溝30aに、例えば、1つの前記深さ変動部40が設けられる。幅方向中央側の流路溝30aには、深さ変動部40を設けなくてもよい。深さ変動部40は、酸化剤ガス流路30の幅方向中央側に向かって個数が減少していく。深さ変動部40は、流路溝30aの流れ方向に向かって隣合う流路溝30aで千鳥状に配置される。
In the first embodiment, at least one of the oxidant
深さ変動部40は、個別の部材として形成された後、カソード側セパレータ14に溶着や接着等により固定される。なお、深さ変動部40は、カソード側セパレータ14に一体成形してもよい。深さ変動部40は、カソード側セパレータ14の表面との交差部が滑らかなR形状で連結されることが好ましい。また、アノード側セパレータ16側でも、同様である。
After the
図4に示すように、深さ変動部40は、少なくとも高さ寸法又は形状の異なる複数種類の凸状部材42a、42b及び42cを備える。図4及び図5に示すように、凸状部材42aは、ブロック体により構成されて流路溝30aに配置され、流路溝30aから断面山形状に突出する。凸状部材42aは、断面が左右対称形状であることが好ましい。凸状部材42aは、頂部42aeを有し、流路溝30aの深さD1よりも浅い深さD2に設定される(D1>D2)。
As shown in FIG. 4, the
図4及び図6に示すように、凸状部材42bは、ブロック体により構成されて流路溝30aに配置され、流路溝30a側に突出する断面山形状の頂部を切り欠いた窪み42brを有する。凸状部材42bは、断面が左右対称形状であることが好ましい。凸状部材42bの深さD3は、流路溝30aの深さD1よりも浅く設定されるとともに、凸状部材42aの深さD2よりも深く設定される(D1>D3>D2)。
As shown in FIGS. 4 and 6, the
図4及び図7に示すように、凸状部材42cは、ブロック体により構成されて流路溝30aに配置され、流路溝30a側に突出する平坦面42cfを有する。凸状部材42cの深さD4は、流路溝30aの深さD1よりも浅く設定されるとともに、凸状部材42aの深さD2及び凸状部材42bの深さD3よりも深く設定される(D1>D4>D3>D2)。例えば、凸状部材42aと凸状部材42bとは、流路溝30a内のガス流れ方向に向かって交互に配置される一方、凸状部材42cは、前記流路溝30a内に1つが配置される。なお、深さ変動部40は、上記の凸状部材42a〜42cに限定されるものではなく、4種類以上の深さ又は形状の異なる凸状部材を用いることができる。
As shown in FIGS. 4 and 7, the
図3に示すように、入口バッファ部32aでは、酸化剤ガスが流れ易く、しかも生成水が滞留し易い幅方向(矢印C方向)上方側の、すなわち、最も短尺な連結流路溝36aに、複数、例えば、3つの深さ変動部40が設けられる。長尺側の連結流路溝36aには、2つの深さ変動部40を設け、1つの前記深さ変動部40を設け又は該深さ変動部40を設けなくてもよい。深さ変動部40は、上流側から下流側に向かって個数を減少させる。なお、出口バッファ部32b側は、上記の入口バッファ部32aとは対称形状を有する他、同様に構成される。
As shown in FIG. 3, in the
図8に示すように、アノード側セパレータ16の電解質膜・電極構造体12に向かう面16aには、燃料ガス入口連通孔20aと燃料ガス出口連通孔20bとを連通する燃料ガス流路44が形成される。燃料ガス流路44は、水平方向(矢印B方向)に延在し、燃料ガスをセパレータ面に沿って長辺方向に流通させる複数本の直線状(又は波状)の流路溝44aを有する。
As shown in FIG. 8, a fuel
流路溝44aは、矢印B方向に互いに平行して延在する凸状部44b間に形成される。凸状部44bは、アノード側セパレータ16を厚さ方向に波形状に成形することにより、面16a側に突出して設けられる。
The
燃料ガス流路44の入口近傍には、入口バッファ部46aが設けられるとともに、前記燃料ガス流路44の出口近傍には、出口バッファ部46bが設けられる。入口バッファ部46aは、燃料ガス入口連通孔20a及び酸化剤ガス出口連通孔18bの形状に沿って略三角形状を有するとともに、前記燃料ガス入口連通孔20aの近傍に面16a側に突出する複数個のエンボス48aを有する。
An
入口バッファ部46aは、燃料ガス流路44の入口と燃料ガス入口連通孔20aとを連通させる複数本の連結流路溝50aを有する。連結流路溝50aは、アノード側セパレータ16の上部側から下部側に向かって、順次、長尺になるように設定される。連結流路溝50aは、矢印B方向に向かって下方に傾斜し互いに略平行して延在する連結凸状部50b間に形成される。連結凸状部50bは、アノード側セパレータ16を厚さ方向に波形状に成形することにより、面16a側に突出して設けられる。
The
出口バッファ部46bは、燃料ガス出口連通孔20b及び酸化剤ガス入口連通孔18aの形状に沿って略三角形状を有するとともに、前記燃料ガス出口連通孔20bの近傍に面16a側に突出する複数個のエンボス48bを有する。
The
出口バッファ部46bは、燃料ガス流路44の出口と燃料ガス出口連通孔20bとを連通させる複数本の連結流路溝52aを有する。連結流路溝52aは、アノード側セパレータ16の上部側から下部側に向かって、順次、短尺になるように設定される。連結流路溝52aは、矢印B方向に向かって下方に傾斜し互いに略平行して延在する連結凸状部52b間に形成される。連結凸状部52bは、アノード側セパレータ16を厚さ方向に波形状に成形することにより、面16a側に突出して設けられる。
The
第1の実施形態では、燃料ガス流路44、入口バッファ部46a及び出口バッファ部46bの中、少なくとも1つに、例えば、全てに、燃料ガスの流れ方向に向かって流路深さが部分的に減少する深さ変動部40が設けられる。深さ変動部40は、酸化剤ガス流路30側と同様に構成されており、その詳細な説明は省略する。
In the first embodiment, at least one, for example, all of the fuel
図1に示すように、アノード側セパレータ16の面16bとカソード側セパレータ14の面14bとの間には、冷却媒体入口連通孔22a、22aと冷却媒体出口連通孔22b、22bとに連通する冷却媒体流路54が形成される。冷却媒体流路54は、電解質膜・電極構造体12の電極範囲に亘って冷却媒体を流通させる。
As shown in FIG. 1, between the
アノード側セパレータ16では、冷却媒体流路54は、燃料ガス流路44の裏面形状であり、カソード側セパレータ14では、前記冷却媒体流路54は、酸化剤ガス流路30の裏面形状である。
In the anode-
カソード側セパレータ14の面14a、14bには、このカソード側セパレータ14の外周端縁部を周回して第1シール部材56が一体成形される。アノード側セパレータ16の面16a、16bには、このアノード側セパレータ16の外周端縁部を周回して第2シール部材58が一体成形される。第1シール部材56及び第2シール部材58としては、例えば、EPDM、NBR、フッ素ゴム、シリコーンゴム、フロロシリコーンゴム、ブチルゴム、天然ゴム、スチレンゴム、クロロプレーン又はアクリルゴム等のシール材、クッション材、あるいはパッキン材等の弾性を有するシール部材が用いられる。
A
このように構成される燃料電池11の動作について、以下に説明する。
The operation of the
先ず、図1に示すように、酸化剤ガス入口連通孔18aには、酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス入口連通孔20aには、水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、一対の冷却媒体入口連通孔22aには、純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体が供給される。
First, as shown in FIG. 1, an oxidant gas such as an oxygen-containing gas is supplied to the oxidant gas
このため、酸化剤ガスは、図1及び図3に示すように、酸化剤ガス入口連通孔18aから入口バッファ部32aを通ってカソード側セパレータ14の酸化剤ガス流路30に導入される。酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路30に沿って矢印B方向(水平方向)に移動し、電解質膜・電極構造体12のカソード電極26に供給される。
Therefore, as shown in FIGS. 1 and 3, the oxidant gas is introduced from the oxidant gas
一方、燃料ガスは、図8に示すように、燃料ガス入口連通孔20aから入口バッファ部46aを通ってアノード側セパレータ16の燃料ガス流路44に供給される。燃料ガスは、燃料ガス流路44に沿って水平方向(矢印B方向)に移動し、電解質膜・電極構造体12のアノード電極28に供給される(図1参照)。
On the other hand, as shown in FIG. 8, the fuel gas is supplied from the fuel gas inlet communication hole 20a to the
従って、電解質膜・電極構造体12では、カソード電極26に供給される酸化剤ガスと、アノード電極28に供給される燃料ガスとが、電極触媒層内で電気化学反応により消費されて発電が行われる。
Therefore, in the electrolyte membrane /
次いで、電解質膜・電極構造体12のカソード電極26に供給されて消費された酸化剤ガスは、図1及び図3に示すように、出口バッファ部32bから酸化剤ガス出口連通孔18bに沿って矢印A方向に排出される。一方、電解質膜・電極構造体12のアノード電極28に供給されて消費された燃料ガスは、図8に示すように、出口バッファ部46bから燃料ガス出口連通孔20bに沿って矢印A方向に排出される。
Next, as shown in FIGS. 1 and 3, the oxidant gas supplied to the
また、一対の冷却媒体入口連通孔22aに供給された冷却媒体は、カソード側セパレータ14及びアノード側セパレータ16間の冷却媒体流路54に導入される。冷却媒体は、図1に示すように、一旦矢印C方向(重力方向)内方に沿って流動した後、矢印B方向(水平方向)に移動して電解質膜・電極構造体12を冷却する。この冷却媒体は、矢印C方向外方に移動した後、一対の冷却媒体出口連通孔22bに排出される。
The cooling medium supplied to the pair of cooling medium inlet communication holes 22 a is introduced into the cooling
この場合、第1の実施形態では、図3に示すように、酸化剤ガス流路30を構成する流路溝30aには、必要に応じて所定数の深さ変動部40が設けられている。深さ変動部40は、例えば、凸状部材42a、42b及び42cを備え、必要に応じていずれか又は全てが設置される。
In this case, in the first embodiment, as shown in FIG. 3, a predetermined number of
このため、流路溝30aでは、深さ変動部40が設けられた部位の流路深さが、最大の深さD1からこれよりも浅い深さD2、D3又はD4に減少する。例えば、図4に示すように、流路溝30a内では、凸状部材42a、凸状部材42b及び凸状部材42aが交互に配置されており、これらを通過する酸化剤ガスの圧損(圧力損失)が同期的に変化して増加している。
For this reason, in the
従って、流路溝30a内では、圧損増加部が部分的に設けられている。これにより、流路溝30a内では、滞留する生成水や結露水が、圧損の増減によって良好に排出され、排水性の向上が容易に図られる。このため、簡単且つコンパクトな構成で、生成水を良好に排出することができ、所望の発電性能を確保することが可能になるという効果が得られる。
Therefore, the pressure loss increasing portion is partially provided in the
さらに、第1の実施形態では、入口バッファ部32a及び出口バッファ部32bを構成する連結流路溝36a及び連結流路溝38aには、それぞれ必要に応じて所定数の深さ変動部40が設けられている。その上、入口バッファ部32aでは、酸化剤ガスが流れ易く、しかも生成水が滞留し易い最も短尺な連結流路溝36aに、複数、例えば、3つの深さ変動部40が設けられている。深さ変動部40は、入口バッファ部32aの幅方向中央側に向かって個数が減少していく。深さ変動部40は、連結流路溝36aの流れ方向に向かって隣合う連結流路溝36aで千鳥状に配置される。出口バッファ部32bでも、同様である。
Furthermore, in the first embodiment, a predetermined number of
従って、連結流路溝36a内及び連結流路溝38a内では、滞留する生成水や結露水が、圧損の増減によって良好に排出され、排水性の向上が容易に図られる。これにより、簡単且つコンパクトな構成で、生成水を良好に排出することができ、所望の発電性能を確保することが可能になるという効果が得られる。
Therefore, in the connection
なお、燃料ガス流路44側では、上記の酸化剤ガス流路30側と同様に構成されている。このため、滞留する生成水や結露水が、圧損の増減によって良好に排出され、排水性の向上が容易に図られることから、酸化剤ガス流路30側と同様の効果が得られる。
The
図9は、本発明の第2の実施形態に係る燃料電池スタック60を構成する燃料電池62の要部分解斜視説明図である。なお、第1の実施形態に係る燃料電池スタック10と同一の構成要素には、同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。
FIG. 9 is an exploded perspective view of a main part of the
燃料電池62は、電解質膜・電極構造体12と、前記電解質膜・電極構造体12を挟持するカソード側セパレータ64及びアノード側セパレータ66とを備える。カソード側セパレータ64及びアノード側セパレータ66は、例えば、カーボンセパレータにより構成されるが、金属セパレータにより構成してもよい。
The
カソード側セパレータ64の電解質膜・電極構造体12に向かう面64aには、酸化剤ガス入口連通孔18aと酸化剤ガス出口連通孔18bとを連通する酸化剤ガス流路68が形成される。酸化剤ガス流路68は、矢印B方向両端側に反転部を有する蛇行流路溝68aを有する。蛇行流路溝68aは、蛇行凸状部68b間に形成される。
An oxidant
第2の実施形態では、蛇行流路溝68aに深さ変動部40が設けられる。深さ変動部40の設置部位、設置個数及び種類は、滞留水が溜まり易い箇所や圧損の低い箇所等に応じて設定される。
In the second embodiment, the
アノード側セパレータ66の電解質膜・電極構造体12に向かう面66aには、燃料ガス入口連通孔20aと燃料ガス出口連通孔20bとを連通する燃料ガス流路70が形成される。燃料ガス流路70は、矢印B方向両端側に反転部を有する蛇行流路溝70aを有する。蛇行流路溝70aは、蛇行凸状部70b間に形成される。
A fuel
第2の実施形態では、図示しないが、蛇行流路溝70aに深さ変動部40が設けられる。深さ変動部40の設置部位、設置個数及び種類は、滞留水が溜まり易い箇所や圧損の低い箇所等に応じて設定される。
In the second embodiment, although not shown, the
このように構成される第2の実施形態では、酸化剤ガス流路68を構成する蛇行流路溝68aには、必要に応じて所定数の深さ変動部40が設けられている。このため、蛇行流路溝68a内では、圧損増加部が部分的に設けられ、前記蛇行流路溝68a内で滞留する生成水や結露水は、圧損の増減によって良好に排出される等、上記の第1の実施形態と同様の効果が得られる。なお、燃料ガス流路70側でも、同様である。
In the second embodiment configured as described above, a predetermined number of
10、60…燃料電池スタック 11…燃料電池
12…電解質膜・電極構造体 14、64…カソード側セパレータ
16、66…アノード側セパレータ 18a…酸化剤ガス入口連通孔
18b…酸化剤ガス出口連通孔 20a…燃料ガス入口連通孔
20b…燃料ガス出口連通孔 22a…冷却媒体入口連通孔
22b…冷却媒体出口連通孔 24…固体高分子電解質膜
26…カソード電極 28…アノード電極
30、68…酸化剤ガス流路 30a、44a…流路溝
32a、46a…入口バッファ部 32b、46b…出口バッファ部
36a、38a、50a、52a…連結流路溝
40…深さ変動部 42a〜42c…凸状部材
44、70…燃料ガス流路 54…冷却媒体流路
68a、70a…蛇行流路溝
DESCRIPTION OF
Claims (3)
前記セパレータには、前記反応ガス入口連通孔及び前記反応ガス出口連通孔に連通し、前記反応ガスをセパレータ面に沿って流通させる反応ガス流路と、
前記反応ガス流路の入口側及び出口側に連なってそれぞれ複数本の連結流路を有するバッファ部と、
が設けられるとともに、
少なくとも前記反応ガス流路又は前記バッファ部の前記連結流路には、前記反応ガスの流れ方向に向かって流路深さが部分的に減少する深さ変動部が設けられることを特徴とする燃料電池スタック。 A reaction gas inlet having a fuel cell in which an electrolyte membrane / electrode structure provided with electrodes on both sides of the electrolyte membrane and a separator are stacked, and a plurality of the fuel cells are stacked and a reaction gas is circulated in the stacking direction A fuel cell stack in which a communication hole and a reaction gas outlet communication hole are formed,
The separator communicates with the reaction gas inlet communication hole and the reaction gas outlet communication hole, and a reaction gas flow path for allowing the reaction gas to flow along the separator surface;
A buffer unit having a plurality of connection channels each connected to the inlet side and the outlet side of the reaction gas channel;
Is provided,
At least the reactive gas flow path or the connection flow path of the buffer unit is provided with a depth varying portion in which the flow path depth partially decreases in the flow direction of the reactive gas. Battery stack.
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Cited By (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2017059439A (en) * | 2015-09-17 | 2017-03-23 | トヨタ自動車株式会社 | Fuel battery module |
JP2017228482A (en) * | 2016-06-24 | 2017-12-28 | トヨタ自動車株式会社 | Fuel battery single cell |
JP2020047442A (en) * | 2018-09-18 | 2020-03-26 | トヨタ自動車株式会社 | Fuel cell |
JP2020047440A (en) * | 2018-09-18 | 2020-03-26 | トヨタ自動車株式会社 | Fuel cell |
JP2020119713A (en) * | 2019-01-22 | 2020-08-06 | トヨタ自動車株式会社 | Fuel cell stack |
JP2024524762A (en) * | 2021-08-18 | 2024-07-05 | シェフラー テクノロジーズ アー・ゲー ウント コー. カー・ゲー | Bipolar plate and method for manufacturing a bipolar plate - Patents.com |
WO2024231380A1 (en) * | 2023-05-09 | 2024-11-14 | Symbio France | Monopolar plate for a fuel cell, method for the production thereof and fuel cell comprising such a monopolar plate |
-
2013
- 2013-06-14 JP JP2013125610A patent/JP2015002061A/en active Pending
Cited By (12)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2017059439A (en) * | 2015-09-17 | 2017-03-23 | トヨタ自動車株式会社 | Fuel battery module |
JP2017228482A (en) * | 2016-06-24 | 2017-12-28 | トヨタ自動車株式会社 | Fuel battery single cell |
JP2020047442A (en) * | 2018-09-18 | 2020-03-26 | トヨタ自動車株式会社 | Fuel cell |
JP2020047440A (en) * | 2018-09-18 | 2020-03-26 | トヨタ自動車株式会社 | Fuel cell |
JP7025311B2 (en) | 2018-09-18 | 2022-02-24 | トヨタ自動車株式会社 | Fuel cell |
JP7025312B2 (en) | 2018-09-18 | 2022-02-24 | トヨタ自動車株式会社 | Fuel cell |
JP2020119713A (en) * | 2019-01-22 | 2020-08-06 | トヨタ自動車株式会社 | Fuel cell stack |
JP7088045B2 (en) | 2019-01-22 | 2022-06-21 | トヨタ自動車株式会社 | Fuel cell stack |
JP2024524762A (en) * | 2021-08-18 | 2024-07-05 | シェフラー テクノロジーズ アー・ゲー ウント コー. カー・ゲー | Bipolar plate and method for manufacturing a bipolar plate - Patents.com |
JP7686875B2 (en) | 2021-08-18 | 2025-06-02 | シェフラー テクノロジーズ アー・ゲー ウント コー. カー・ゲー | Bipolar plate and method for manufacturing a bipolar plate - Patents.com |
WO2024231380A1 (en) * | 2023-05-09 | 2024-11-14 | Symbio France | Monopolar plate for a fuel cell, method for the production thereof and fuel cell comprising such a monopolar plate |
FR3148680A1 (en) * | 2023-05-09 | 2024-11-15 | Symbio France | Monopolar plate for fuel cell, its manufacturing method and fuel cell comprising such a monopolar plate |
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