JP5019719B2 - Separator unit - Google Patents
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Description
本発明は、セパレータユニットに関するものである。 The present invention relates to a separator unit.
従来、燃料電池は、発電効率が高く、有害物質を排出しないので、産業用、家庭用の発電装置として、又は、人工衛星や宇宙船などの動力源として実用化されてきたが、近年は、乗用車、バス、トラック等の車両用の動力源として開発が進んでいる。そして、前記燃料電池は、アルカリ水溶液型、リン酸型、溶融炭酸塩型、固体酸化物型、直接型メタノール等のものであってもよいが、反応温度が低く、小型化に有利な固体高分子型燃料電池が一般的である。 Conventionally, since fuel cells have high power generation efficiency and do not emit harmful substances, they have been put to practical use as power generators for industrial and household use, or as power sources for artificial satellites and spacecrafts. Development is progressing as a power source for vehicles such as passenger cars, buses and trucks. The fuel cell may be of an alkaline aqueous solution type, a phosphoric acid type, a molten carbonate type, a solid oxide type, a direct type methanol or the like, but has a low reaction temperature and is advantageous for miniaturization. Molecular fuel cells are common.
この場合、固体高分子電解質膜を2枚のガス拡散電極で挟み、一体化させて接合したMEA(Membrane Electrode Assembly:膜電極接合体)が使用される。そして、前記ガス拡散電極の一方を燃料極(アノード極)とし、その表面に燃料としての水素ガスを供給すると、水素が水素イオン(プロトン)と電子とに分解され、水素イオンが固体高分子電解質膜を透過する。また、前記ガス拡散電極の他方を酸素極(カソード極)とし、その表面に酸化剤としての空気を供給すると、空気中の酸素と、前記水素イオン及び電子とが結合して、水が生成される。このような電気化学反応によって起電力が生じるようになっている。 In this case, a MEA (Membrane Electrode Assembly) in which a solid polymer electrolyte membrane is sandwiched between two gas diffusion electrodes and joined together is used. When one of the gas diffusion electrodes is used as a fuel electrode (anode electrode) and hydrogen gas as a fuel is supplied to the surface of the gas diffusion electrode, hydrogen is decomposed into hydrogen ions (protons) and electrons, and the hydrogen ions are converted into a solid polymer electrolyte. Permeates the membrane. Further, when the other of the gas diffusion electrodes is an oxygen electrode (cathode electrode) and air as an oxidant is supplied to the surface, oxygen in the air is combined with the hydrogen ions and electrons to generate water. The An electromotive force is generated by such an electrochemical reaction.
そして、固体高分子型燃料電池は、MEAの外側に燃料ガスとしての水素ガスや酸素等の酸化剤ガスのような反応ガスの供給通路を形成するセパレータを配した積層構造を有する。前記セパレータは、積層方向に隣り合うMEAへの反応ガスの透過を防止するとともに、発生した電流を外部へ取り出すための集電を行う。このように、MEAとセパレータとから成る単位セルを多数積層して燃料電池スタックが構成される。 The polymer electrolyte fuel cell has a laminated structure in which a separator that forms a supply passage for a reactive gas such as hydrogen gas as a fuel gas or an oxidant gas such as oxygen is disposed outside the MEA. The separator prevents current gas from passing through the MEAs adjacent to each other in the stacking direction, and collects current to extract the generated current to the outside. In this way, a fuel cell stack is configured by laminating a large number of unit cells composed of MEAs and separators.
ところで、燃料電池システムでは、電気化学反応によって、各セルにおいて発生電力にほぼ相当する熱量の熱が発生するため、特に、低温で作動する高分子型燃料電池においては、各セルが過度にヒートアップすることを防止する冷却手段を備える(例えば、特許文献1及び2参照。)。
しかしながら、前記従来の燃料電池システムにおいては、単位セルの積層方向に関して温度分布が発生し、電極の温度が上昇してしまうことがある。この場合、電極を通してMEAの外側に散逸する水分の量が多くなり過ぎ、MEA内部の湿度が低下するので、各セルにおける発電効率が低下してしまう。 However, in the conventional fuel cell system, a temperature distribution may occur in the stacking direction of the unit cells, and the electrode temperature may increase. In this case, the amount of moisture dissipated to the outside of the MEA through the electrode is excessively increased, and the humidity inside the MEA is lowered, so that the power generation efficiency in each cell is lowered.
本発明は、前記従来の問題点を解決して、多孔(こう)体から成る集電体の開口率を局所的に変化させることによって、燃料電池スタック内における温度分布を解消し、燃料電池の温度を適切に制御することができ、燃料電池内の湿度を適切に維持することができ、発電効率が高く、冷却能力が高く、燃料電池の出力を高めることができるセパレータユニットを提供することを目的とする。 The present invention solves the above-mentioned conventional problems, and locally changes the aperture ratio of the current collector made of a porous body, thereby eliminating the temperature distribution in the fuel cell stack, and To provide a separator unit that can appropriately control the temperature, appropriately maintain the humidity in the fuel cell, have high power generation efficiency, high cooling capacity, and increase the output of the fuel cell. Objective.
そのために、本発明のセパレータユニットにおいては、電解質層を燃料極と酸素極とで挟持した燃料電池の間に挿入され、前記燃料極に供給される燃料ガスと前記酸素極に供給される酸化ガスとを遮断する板状のセパレータ本体と、前記燃料極又は酸素極に当接させて前記セパレータ本体の一側又は両側に設けられ、前記燃料ガス或いは酸化ガスの流路となる網目状の開口が形成された集電体と、を有するセパレータユニットであって、前記セパレータ本体は、内部に冷媒を流通させる冷媒流路が形成されており、かつ前記集電体は、前記網目状の開口を形成したエキスパンドメタル又はパンチングメタルから成るメタル板材にプレス加工を施して、前記燃料極又は酸素極に当接する電極当接部、前記セパレータ本体に当接するセパレータ当接部、及び、前記電極当接部と前記セパレータ当接部との間の側壁部が形成されており、かつ、前記電極当接部の開口率が前記電極当接部以外の部分の開口率よりも大きい。 Therefore, in the separator unit of the present invention, the fuel gas supplied to the fuel electrode and the oxidizing gas supplied to the oxygen electrode are inserted between the fuel cells in which the electrolyte layer is sandwiched between the fuel electrode and the oxygen electrode. A plate-shaped separator body that is in contact with the fuel electrode or the oxygen electrode, and is provided on one or both sides of the separator body, and has a mesh-shaped opening that serves as a flow path for the fuel gas or oxidizing gas A separator unit having a current collector formed therein, wherein the separator main body is formed with a refrigerant flow path through which a refrigerant flows, and the current collector forms the mesh-shaped opening It was a metal plate made of expanded metal or punched metal by applying a pressing process, contacting the electrode contact portion to the fuel electrode or oxygen electrode, in contact with the separator against the said separator body Parts, and the electrode and the side wall portion is formed between the contact portion and the separator contact portion, and the opening pre-Symbol conductive Gokuto contact opening ratio of the portion other than the electrode contact portion Greater than rate.
本発明の他のセパレータユニットにおいては、さらに、前記集電体は、前記電極当接部、前記セパレータ当接部、及び、前記側壁部の各々の開口率が次の式(1)で示される関係を満足する。
電極当接部の開口率>側壁部の開口率≧セパレータ当接部の開口率 ・・・式(1)
In another separator unit of the present invention, furthermore, the current collector, the electrode contact portion, before xenon separator abutting portion, and wherein front SL side wall portion of each of the opening ratio of the following (1 ) Is satisfied.
Opening ratio of electrode contact portion> opening ratio of side wall portion ≧ opening ratio of separator contact portion (1)
本発明によれば、セパレータユニットにおいては、電解質層を燃料極と酸素極とで挟持した燃料電池に挟まれるセパレータユニットであって、前記燃料電池を冷却するための冷媒流路が内部に形成され、前記燃料極に供給されるガスと前記酸素極に供給されるガスとを遮断する板状のセパレータ本体と、該セパレータ本体の一側又は両側に設けられ、網目状の開口を備え、前記燃料極又は酸素極に当接して前記燃料電池で発生した熱を放熱する集電体とを有し、該集電体は、前記燃料極又は酸素極に当接する電極当接部における開口率が電極当接部以外の部分の開口率よりも大きい。 According to the present invention, in the separator unit, the separator unit is sandwiched between the fuel cells in which the electrolyte layer is sandwiched between the fuel electrode and the oxygen electrode, and the coolant channel for cooling the fuel cell is formed inside. A fuel cell having a plate-like separator body that cuts off a gas supplied to the fuel electrode and a gas supplied to the oxygen electrode; and a mesh-like opening provided on one side or both sides of the separator body. A current collector that contacts the electrode or the oxygen electrode and dissipates heat generated in the fuel cell, and the current collector has an electrode with an aperture ratio at the electrode contact portion that contacts the fuel electrode or the oxygen electrode. It is larger than the aperture ratio of parts other than the contact part.
この場合、燃料電池スタック内における温度分布を解消し、燃料電池の温度を適切に制御することができる。そのため、燃料電池内の湿度を適切に維持することができ、発電効率を向上させることができる。また、冷却能力を向上させ、燃料電池の出力を高めることができる。 In this case, the temperature distribution in the fuel cell stack can be eliminated and the temperature of the fuel cell can be controlled appropriately. Therefore, the humidity in the fuel cell can be properly maintained, and the power generation efficiency can be improved. Further, the cooling capacity can be improved and the output of the fuel cell can be increased.
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
図2は本発明の第1の実施の形態における燃料電池システムの構成を示す図、図3は本発明の第1の実施の形態における燃料電池システムの制御システムの構成を示す図、図4は本発明の第1の実施の形態における燃料電池スタックの構成を示す図である。 FIG. 2 is a diagram showing the configuration of the fuel cell system according to the first embodiment of the present invention, FIG. 3 is a diagram showing the configuration of the control system for the fuel cell system according to the first embodiment of the present invention, and FIG. It is a figure which shows the structure of the fuel cell stack in the 1st Embodiment of this invention.
図2及び4において、20は燃料電池(FC)としての燃料電池スタックであり、乗用車、バス、トラック、乗用カート、荷物用カート等の車両用の動力源として使用される。ここで、前記車両は、照明装置、ラジオ、パワーウィンドウ等の車両の停車中にも使用される電気を消費する補機類を多数備えており、また、走行パターンが多様であり、動力源に要求される出力範囲が極めて広いので、動力源としての燃料電池スタック20と図示されない蓄電手段としての二次電池とを併用して使用することが望ましい。
2 and 4,
そして、燃料電池スタック20は、アルカリ水溶液型(AFC)、リン酸型(PAFC)、溶融炭酸塩型(MCFC)、固体酸化物型(SOFC)、直接型メタノール(DMFC)等のものであってもよいが、固体高分子型燃料電池(PEMFC)であることが望ましい。
The
なお、更に望ましくは、水素ガスを燃料とし、酸素又は空気を酸化剤とするPEMFC(Proton Exchange Membrane Fuel Cell)型燃料電池、又は、PEM(Proton Exchange Membrane)型燃料電池と呼ばれるものである。ここで、該PEM型燃料電池は、一般的に、プロトン等のイオンを透過する固体高分子電解質膜の両側に触媒、電極及びセパレータを結合したセル(Fuel Cell)を複数及び直列に結合したスタック(Stack)から成る。 More preferably, it is called a PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell) type fuel cell or PEM (Proton Exchange Membrane) type fuel cell using hydrogen gas as fuel and oxygen or air as oxidant. Here, the PEM type fuel cell is generally a stack in which a plurality of cells (Fuel Cell) in which a catalyst, an electrode and a separator are combined on both sides of a solid polymer electrolyte membrane that transmits ions such as protons are connected in series. (Stack).
本実施の形態において、燃料電池スタック20は、図4に示されるように、複数のセルモジュール10を有する。なお、図4における矢印は、燃料電池スタック20を冷却するための複数の冷却系の1つである閉じた冷却系における冷媒の流れを示している。そして、セルモジュール10は、燃料電池としての後述される単位セル(MEA)11と、該単位セル11同士を電気的に接続するとともに、単位セル11に導入される水素ガスの流路と空気の流路とを分離する後述されるセパレータユニット12と、単位セル11及びセパレータユニット12を支持する図示されないフレームとを1セットとして、板厚方向(図4において左下角と右上角を結ぶ対角線方向)に複数セットを重ねて構成されている。
In the present embodiment, the
図2には、燃料電池スタック20に燃料ガスとしての水素ガス及び酸化剤としての空気を供給する装置が示される。なお、図示されない改質装置によってメタノール、ガソリン等を改質して取り出した燃料である水素ガスを燃料電池スタック20に直接供給することもできるが、車両の高負荷運転時にも安定して十分な量の水素ガスを供給することができるようにするためには、燃料貯蔵手段73に貯蔵した水素ガスを供給することが望ましい。これにより、該水素ガスがほぼ一定の圧力で、常に、十分に供給されるので、前記燃料電池スタック20は車両の負荷の変動に遅れることなく追随して、必要な電流を供給することができる。この場合、前記燃料電池スタック20の出力インピーダンスは極めて低く、0に近似することが可能である。
FIG. 2 shows an apparatus for supplying hydrogen gas as fuel gas and air as oxidant to the
水素ガスは、水素吸蔵合金を収納した容器、デカリンのような水素吸蔵液体を収納した容器、水素ガスボンベ等の燃料貯蔵手段73から、燃料供給管路としての第1燃料供給管路21、及び、該第1燃料供給管路21に接続された燃料供給管路としての第2燃料供給管路33を通って、燃料電池スタック20の燃料室に供給される。そして、前記第1燃料供給管路21には、燃料貯蔵手段元開閉弁24、水素ガスの圧力を検出する圧力センサとしての水素圧センサ27及び28、供給される水素ガスの圧力を調整する水素供給調圧弁25a及び25b、並びに、燃料供給電磁弁26が配設される。
Hydrogen gas is stored in a container containing a hydrogen storage alloy, a container containing a hydrogen storage liquid such as decalin, a fuel storage means 73 such as a hydrogen gas cylinder, a first
ここで、前記燃料貯蔵手段73は、十分に大きな容量を有し、常に、十分に高い圧力の水素ガスを供給することができる能力を有するものである。なお、図2に示される例においては、燃料貯蔵手段73が複数、例えば、3つ配設され、また、第1燃料供給管路21は、各燃料貯蔵手段73に接続される部分で複数本に分岐され、途中で合流して1本になっている。しかし、燃料貯蔵手段73は、単数であってもよいし、また、複数であってもよいし、複数の場合にはいくつであってもよい。
Here, the fuel storage means 73 has a sufficiently large capacity and is capable of always supplying a sufficiently high pressure of hydrogen gas. In the example shown in FIG. 2, a plurality of, for example, three fuel storage means 73 are provided, and a plurality of first
そして、燃料電池スタック20の燃料室から排出される水素ガスは、燃料排出管路31を通って燃料電池スタック20の外部に排出される。前記燃料排出管路31には、回収容器としての水回収ドレインタンク60が配設されている。そして、該水回収ドレインタンク60には水と分離された水素ガスとを排出する燃料排出管路30が接続され、該燃料排出管路30には燃料強制排出装置としての吸引循環ポンプ36が配設されている。また、前記燃料排出管路30における水回収ドレインタンク60と反対側の端部は、第2燃料供給管路33に接続されている。これにより、燃料電池スタック20の外部に導出された水素ガスを回収し、燃料電池スタック20の燃料室に供給して再利用することができる。
The hydrogen gas discharged from the fuel chamber of the
また、前記水回収ドレインタンク60には、燃料排出管路56が接続され、該燃料排出管路56には水素排気弁62が配設され、燃料電池スタック20の起動時等に燃料室から排出される水素ガスを大気中に排出することができるようになっている。なお、燃料排出管路56に、必要に応じて水素燃焼器を配設することもできる。該水素燃焼器によって排出される水素ガスを燃焼させ、水にしてから大気中に排出することができる。
Further, a
ここで、前記水素供給調圧弁25a及び25bは、バタフライバルブ、レギュレータバルブ、ダイヤフラム式バルブ、マスフローコントローラ、シーケンスバルブ等のものであるが、前記水素供給調圧弁25a及び25bの出口から流出する水素ガスの圧力をあらかじめ設定した圧力に調整することができるものであれば、いかなる種類のものであってもよい。なお、前記圧力の調整は、手動によってなされてもよいが、電気モータ、パルスモータ、電磁石等から成るアクチュエータによってなされることが望ましい。また、前記燃料供給電磁弁26及び水素排気弁62は、いわゆる、オン−オフ式のものであり、電気モータ、パルスモータ、電磁石等から成るアクチュエータによって作動させられる。なお、前記燃料貯蔵手段元開閉弁24は手動又は電磁弁を用いて自動的に作動させられる。さらに、前記吸引循環ポンプ36は、水素ガスを強制的に排出し、燃料室内を負圧の状態にすることができるポンプであれば、いかなる種類のものであってもよい。
Here, the hydrogen supply
一方、酸化剤としての空気は、酸化剤供給源としての空気供給ファン75から、酸化剤供給管路76を通って、燃料電池スタック20の酸素室に供給される。なお、酸化剤供給源としては、空気供給ファン75に代えて空気ボンベ、空気タンク等を使用することもできる。また、酸化剤として、空気に代えて酸素を使用することもできる。そして、酸素室から排出される空気は、排気マニホールド77を通って大気中へ排出される。
On the other hand, air as an oxidant is supplied from an
なお、燃料電池スタック20の空気極側から単位セル11を湿潤な状態に維持するために、酸素室に供給される空気中に水をスプレーして供給することもできる。この場合、例えば、水を貯留するタンクから供給された水を、酸化剤供給管路76の途中や燃料電池スタック20の酸素室の入口に配設された水供給ノズルを通して、空気中にスプレーすることが望ましい。また、排気マニホールド77の途中等に凝縮器を配設して、酸素室から排出される空気に含まれる水を回収して再利用することが望ましい。
In addition, in order to maintain the unit cell 11 in a wet state from the air electrode side of the
ところで、燃料電池スタック20の酸素室に供給される空気は、圧力が大気圧程度の常圧の状態であってもよいし、圧力が大気圧よりも高くなるように加圧された状態であってもよいが、本実施の形態においては、大気圧程度の常圧の状態であるものとして説明する。すなわち、本実施の形態における燃料電池システムは、いわゆる加圧システムでなく、常圧システムであるものとする。
Incidentally, the air supplied to the oxygen chamber of the
また、図2には、燃料電池スタック20を冷却するための複数の冷却系の1つである閉じた冷却系の装置が示されている。前記燃料電池スタック20には、該燃料電池スタック20に供給される冷媒が通過する冷媒供給管路53、及び、燃料電池スタック20から排出された冷媒が通過する冷媒排出管路71が接続されている。そして、前記冷媒供給管路53及び冷媒排出管路71の燃料電池スタック20と反対側の端には冷媒貯留容器52が接続されている。また、前記冷媒供給管路53には、冷媒ポンプとしての冷媒供給ポンプ54及びフィルタ55が配設されている。さらに、前記冷媒排出管路71には、冷媒を冷却する冷却装置としてのラジエータ72及び冷媒ポンプとしての冷媒排出ポンプ51が配設されている。ここで、前記冷媒は、例えば、水であるが、不凍液であってもよいし、いかなる種類の流体であってもよい。そして、前記冷媒排出ポンプ51及び冷媒供給ポンプ54は、水等の冷媒を吸引して吐出することができるポンプであれば、いかなる種類のものであってもよい。また、前記フィルタ55は、水等の冷媒に含まれる塵埃(じんあい)、不純物等を除去するものであれば、いかなる種類のものであってもよい。
FIG. 2 shows a closed cooling system device that is one of a plurality of cooling systems for cooling the
そして、燃料電池スタック20に供給された冷媒は、各セルモジュール10において、セパレータユニット12の後述されるセパレータ本体41内に形成された冷媒流路45内を流通して各セルモジュール10を冷却する。この場合、冷媒は、冷媒貯留容器52、冷媒供給管路53、燃料電池スタック20及び冷媒排出管路71を接続することによって形成された実質的に閉じた冷却系内を循環し、単位セル11に接触することがない。そのため、該単位セル11を構成する固体高分子電解質膜、触媒、電極等の部材に冷媒が接触することがないので、不凍液等のように、単位セル11を構成する部材に影響を及ぼす可能性のある成分を含有する冷媒であっても使用することができる。
And the refrigerant | coolant supplied to the
また、燃料電池スタック20の燃料室に供給される水素ガス及び酸素室に供給される空気も、燃料電池スタック20を冷却する機能を有する。そのため、燃料電池スタック20に燃料ガスとしての水素ガス及び酸化剤としての空気を供給する装置は、燃料電池スタック20を冷却するための冷却系の1つとして機能する。そして、水素ガス及び空気は、消費されたり外部に排出されたりするものであるから、水素ガス及び空気を供給する装置は開いた冷却系と言える。この場合、水素ガス及び空気は、単位セル11を構成する固体高分子電解質膜、触媒、電極等の部材に接触しながらセルモジュール10内を流通して、該セルモジュール10を冷却する。なお、前述のように、酸素室に供給される空気中に水を供給するようにした場合には、冷却能力が向上する。
The hydrogen gas supplied to the fuel chamber of the
なお、燃料電池スタック20には、図示されない電気端子の端子電圧を計測する電圧計78、燃料電池スタック20内を流通する空気又は燃料電池スタック20から排出される空気の温度を検出する排出空気温度計74が取り付けられている。また、冷媒貯留容器52及び水回収ドレインタンク60には水位を検出する水位センサ52a及び60aが取り付けられている。
The
また、前記蓄電手段としての二次電池は、いわゆる、バッテリ(蓄電池)であり、鉛蓄電池、ニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池、リチウムイオン電池、ナトリウム硫黄電池等が一般的である。なお、前記蓄電手段は、必ずしもバッテリでなくてもよく、電気二重層キャパシタのようなキャパシタ(コンデンサ)、フライホイール、超伝導コイル、蓄圧器等のように、エネルギを電気的に蓄積し放出する機能を有するものであれば、いかなる形態のものであってもよい。さらに、これらの中のいずれかを単独で使用してもよいし、複数のものを組み合わせて使用してもよい。 The secondary battery as the power storage means is a so-called battery (storage battery), and a lead storage battery, a nickel cadmium battery, a nickel hydrogen battery, a lithium ion battery, a sodium sulfur battery, and the like are common. The power storage means does not necessarily have to be a battery, and electrically stores and discharges energy, such as a capacitor (capacitor) such as an electric double layer capacitor, a flywheel, a superconducting coil, and a pressure accumulator. Any form may be used as long as it has a function. Furthermore, any of these may be used alone, or a plurality of them may be used in combination.
そして、前記燃料電池スタック20は図示されない負荷に接続され、発生した電流を前記負荷に供給する。ここで、該負荷は、一般的には、駆動制御装置であるインバータ装置であり、前記燃料電池スタック20又は蓄電手段からの直流電流を交流電流に変換して、車両の車輪を回転させる駆動モータに供給する。ここで、該駆動モータは発電機としても機能するものであり、車両の減速運転時には、いわゆる回生電流を発生する。この場合、前記駆動モータは車輪によって回転させられて発電するので、前記車輪にブレーキをかける、すなわち、車両の制動装置(ブレーキ)として機能する。そして、前記回生電流が蓄電手段に供給されて該蓄電手段が充電される。
The
また、本実施の形態において、燃料電池システムは、図3に示されるような制御システムを有する。図3において、81は、CPU、MPU等の演算手段、入出力インターフェイス等を備える一種のコンピュータであり、燃料電池システムの動作を制御する制御装置である。該制御装置81には、磁気ディスク、半導体メモリ等の記憶手段としてのメモリ82が接続されている。また、前記制御装置81には、前記電圧計78、水位センサ52a及び60a、水素圧センサ27及び28、排出空気温度計74、並びに、燃料電池スタック20の燃料室から排出される水素ガス濃度を検出する水素濃度センサ83が接続され、これら各種のセンサの出力が前記制御装置81に入力される。さらに、該制御装置81には、前記水素供給調圧弁25a及び25b、水素排気弁62、空気供給ファン75、冷媒ポンプとしての冷媒供給ポンプ54及び冷媒排出ポンプ51、並びに、燃料電池システムに故障、事故等が発生した場合に警報を出力する装置としてのアラーム86が接続され、これらの装置は前記制御装置81によって動作が制御される。
In the present embodiment, the fuel cell system has a control system as shown in FIG. In FIG. 3,
次に、前記セパレータユニット12の構成について詳細に説明する。 Next, the configuration of the separator unit 12 will be described in detail.
図1は本発明の第1の実施の形態における燃料電池システムのセパレータユニットの構成を示す図、図5は本発明の第1の実施の形態における燃料電池システムのセルモジュールの構成を示す断面図、図6は本発明の第1の実施の形態における燃料電池システムの発電性能を示す図である。 FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a separator unit of a fuel cell system according to a first embodiment of the present invention, and FIG. 5 is a sectional view showing a configuration of a cell module of the fuel cell system according to the first embodiment of the present invention. FIG. 6 is a diagram showing the power generation performance of the fuel cell system according to the first embodiment of the present invention.
図1及び5に示されるように、セルモジュール10は、単位セル11と、該単位セル11同士を電気的に接続するとともに、単位セル11に導入される水素ガスの流路としての燃料室と、空気の流路としての酸素室とを分離するセパレータユニット12とを有し、複数個が積層されている。なお、図1は積層されたセルモジュール10の一部のみを拡大して示す斜視図であり、図5は積層されたセルモジュール10の一部のみを拡大して示す断面図であり、説明の都合上、単位セル11及びセパレータユニット12を支持するフレームは省略されている。
As shown in FIGS. 1 and 5, the
そして、単位セル11は、図5に示されるように、イオン交換膜である電解質層としての固体高分子電解質膜11aと、該固体高分子電解質膜11aの一側に設けられた酸素極としての空気極11b(カソード極)及び他側に設けられた燃料極11c(アノード極)とで構成されている。前記空気極11b及び燃料極11cは、反応ガスを拡散しながら透過する導電性材料から成る電極拡散層と、該電極拡散層上に形成され、固体高分子電解質膜11aと接触させて支持される触媒物質を含む触媒層とから成る。なお、図1においては、固体高分子電解質膜11a、空気極11b及び燃料極11cの図示が省略されている。
As shown in FIG. 5, the unit cell 11 includes a solid polymer electrolyte membrane 11a as an electrolyte layer that is an ion exchange membrane, and an oxygen electrode provided on one side of the solid polymer electrolyte membrane 11a. It consists of an
また、セパレータユニット12は、単位セル11間のガス遮断部材としてのセパレータ本体41と、該セパレータ本体41の一側に設けられ、単位セル11の空気極11b側の電極拡散層に接触して集電するとともに空気と水との混合流を透過する多数の開口が形成された網目状の集電体としての空気極側コレクタ14と、セパレータ本体41の他側に設けられ、単位セル11の燃料極11c側の電極拡散層に接触して同じく電流を外部に導出するための網目状の集電体としての燃料極側コレクタ15とで構成されている。なお、図1においては、説明の都合上、燃料極側コレクタ15の図示が省略されている。
In addition, the separator unit 12 is provided on one side of the
そして、空気極側コレクタ14及び燃料極側コレクタ15は、導電性の板材、例えば、板厚が0.2〔mm〕程度の金属薄板で形成されている。また、セパレータ本体41は、板厚が更に薄い金属薄板で構成された板状の部材であり、例えば、第1板部材41a及び第2板部材41bから成る二重構造を有し、内部に示されるような冷媒流路45が形成されている。前記空気極側コレクタ14、燃料極側コレクタ15及びセパレータ本体41の構成金属としては、導電性と耐蝕(しょく)性を備えた金属、例えば、ステンレス鋼、ニッケル合金、チタン合金等に金メッキ等の耐蝕導電処理を施したものが挙げられる。
The air
また、空気極側コレクタ14は、全体形状が概略横長の矩(く)形であり、多孔体から成る。該多孔体は、例えば、開口率59〔%〕以上の網目状の開口を有するエキスパンドメタル、パンチングメタル等のメタル板材であり、プレス加工によって形成された細かい凸条を有する波板とされている。なお、前記凸条は側壁部14b及び頂部14cを備える。そして、前記凸条は、板材の縦辺方向、すなわち、図5における上下方向に延在し、平行に等間隔で、板面を完全に縦断する配置とされている。前記凸条の断面形状は、大まかには矩形波状断面とされ、プレス加工の型抜きの関係から、根元側が若干裾(すそ)広がりの形状とされている。前記凸条の高さは、図示されないフレームの厚さに実質上等しい高さとされ、それにより、積層状態において、単位セル11の空気極11b側の電極拡散層とセパレータ本体41の側面との間を縦方向に貫通する所定の開口面積の空気流路を確保している。なお、図1において、矢印Aは、単位セル11に導入されて酸素室内を流通する空気の流れを示している。ここで、各凸条の頂部14cの平面は、セパレータ本体41の側面に当接する当接部となっており、各凸条間の谷部14aの平面は、単位セル11の空気極11b側の電極拡散層に当接する当接部となっている。
Further, the air
また、燃料極側コレクタ15は、前記空気極側コレクタ14と同様の寸法の多孔体であり、例えば、網目状の開口を有するエキスパンドメタル、パンチングメタル等のメタル板材から成り、プレス加工によって形成された細かい凸条を有する波板とされている。そして、前記凸条は、空気極側コレクタ14の場合と同様に、側壁部15b及び頂部15cを備え、図5における上下方向に延在し、平行に等間隔で、板面を完全に縦断する配置とされている。前記凸条の断面形状は、大まかには矩形波状断面とされ、プレス加工の型抜きの関係から、根元側が若干裾広がりの形状とされている。前記凸条の高さは、図示されないフレームの厚さに実質上等しい高さとされ、それにより、積層状態において、単位セル11の燃料極11c側の電極拡散層とセパレータ本体41の側面との間を縦方向に貫通する所定の開口面積の燃料ガス流路を確保している。また、各凸条の頂部15cの平面は、セパレータ本体41の側面に当接する当接部となっており、各凸条の谷部15aの平面は、単位セル11の燃料極11c側の電極拡散層に当接する当接部となっている。
The fuel
そして、前記空気極側コレクタ14及び燃料極側コレクタ15は、それぞれの谷部14a及び15aがともに外側となるように、セパレータ本体41を間に挟んで配置される。このとき、空気極側コレクタ14及び燃料極側コレクタ15のそれぞれの凸条の頂部14c及び15cは、セパレータ本体41と当接した状態となり、相互に通電可能な状態となる。また、空気極側コレクタ14及び燃料極側コレクタ15をセパレータ本体41と重ね合わせることによって、該セパレータ本体41の一方側に空気流路、すなわち、酸素室が構成され、他方側に燃料ガス流路、すなわち、燃料室が構成されることになる。そして、酸素室から単位セル11の空気極11bに空気が供給され、同様に、燃料室から単位セル11の燃料極11cに水素ガスが供給される。
The air
なお、単位セル11においては水が移動する。すなわち、燃料極側コレクタ15が配設されている燃料室内に燃料ガスとして水素ガスを供給すると、水素が水素イオン(プロトン)と電子とに分解され、水素イオンがプロトン同伴水を伴って、固体高分子電解質膜11aを透過する。また、前記空気極11bをカソード極とし、酸素室内に酸化剤としての空気を供給すると、空気中の酸素と、前記水素イオン及び電子が結合して、水が生成される。さらに、水分が逆拡散水として固体高分子電解質膜11aを透過し、燃料室内に移動する。ここで、逆拡散水とは、酸素室において生成される水が固体高分子電解質膜11a内に拡散し、該固体高分子電解質膜11a内を前記水素イオンと逆方向に透過して燃料室にまで浸透したものである。
In the unit cell 11, water moves. That is, when hydrogen gas is supplied as a fuel gas into the fuel chamber in which the fuel
また、セパレータ本体41は、図示されない冷媒流入管及び冷媒流出管が接続され、冷媒流入管から流入した冷媒がセパレータ本体41の内部に形成された冷媒流路45を通って冷却を行い、冷媒流出管から流出する。なお、前記冷媒は閉じた冷却系の装置における冷媒であり、冷媒供給管路53を通って燃料電池スタック20に供給され、該燃料電池スタック20内に形成された図示されない流路を通って冷媒流入管に流入する。また、冷媒流出管から流出された冷媒は、燃料電池スタック20内に形成された図示されない流路を通って冷媒排出管路71に流入し、燃料電池スタック20から排出される。なお、冷媒流路45の形状は、直線状であってもよいし、蛇(だ)行状、渦巻き状等のような冷媒の流路長が長くなるような形状であってもよい。
The separator
図1に示される例において、前記セパレータ本体41は第1板部材41a及び第2板部材41bを貼(は)り合わせて形成されている。この場合、一方の板材としての第2板部材41bの内側となる面に、例えば、ケミカルエッチング等のフォトリソグラフィ技術を使用して所望の形状の凹溝を形成する。そして、該凹溝が形成された面に他方の板材としての第1板部材41aを重ね合わせることによって、冷媒流路45を備えるセパレータ本体41を得ることができる。この場合、該セパレータ本体41の両側の面が各所で結合されているので、前記両側の面の間の電気伝導性を良好なものとすることができる。また、前記セパレータ本体41の両外側の面は、凹凸のない平面であることが望ましい。これにより、セパレータ本体41の外側の面と、空気極側コレクタ14及び燃料極側コレクタ15のそれぞれの頂部14c及び15cとの接触が確実になり、セパレータ本体41と空気極側コレクタ14及び燃料極側コレクタ15との間の熱伝導性及び電気伝導性を良好なものとすることができる。
In the example shown in FIG. 1, the
本実施の形態において、空気極側コレクタ14及び燃料極側コレクタ15は、開口率が局所的に変化するように形成されている。例えば、単位セル11に当接する電極当接部であるMEA接触部としての谷部14a及び15aの開口率が最も高く、セパレータ本体41に当接するセパレータ当接部であるセパレータ接触部としての頂部14c及び15cの開口率が最も低く、リブを構成するリブ部としての側壁部14b及び15bの開口率が谷部14a及び15aの開口率と頂部14c及び15cの開口率との中間となるように形成されている。なお、側壁部14b及び15bの開口率は、頂部14c及び15cの開口率と等しくてもよい。すなわち、空気極側コレクタ14及び燃料極側コレクタ15の各所の開口率は、単位セル11の積層方向(図5における上下方向)に関して傾斜化され、次の式(1)で定義されるように変化する。
MEA接触部の開口率>リブ部の開口率≧セパレータ接触部の開口率 ・・・式(1)
ここで、空気極側コレクタ14及び燃料極側コレクタ15は、網目状の開口を有するので、燃料室内の水素ガス及び酸素室内の空気の流通が空気極側コレクタ14及び燃料極側コレクタ15によって阻害されることがない。すなわち、燃料室内の水素ガス及び酸素室内の空気は、単位セル11に接触している谷部14a及び15aの開口を通して、単位セル11の燃料極11c及び空気極11bの電極拡散層に十分に接触することができる。さらに、燃料室内の水素ガス及び酸素室内の空気は、側壁部14b及び15bの開口を通しても移動することができるので、燃料室内の水素ガスの流れ及び酸素室内の空気の流れがスムーズになる。
In the present embodiment, the air
Opening ratio of MEA contact part> Opening ratio of rib part ≧ Opening ratio of separator contact part (1)
Here, since the air
特に、生成水や空気中に供給された水によって、酸素室内において水滴が発生し、該水滴が隣接する谷部14a間の流路を塞(ふさ)いでしまった場合、空気は側壁部14bの開口を通して隣接する流路に流れ込むことができるので、空気の流れが阻害されることがない。なお、逆拡散水によって燃料室内に水滴が発生した場合も同様である。
In particular, when water droplets are generated in the oxygen chamber due to generated water or water supplied to the air, and the water droplets block the flow path between the
そして、単位セル11は、閉じた冷却系の装置の冷却器として機能するセパレータ本体41によって冷却される。すなわち、単位セル11において発生した熱は、空気極側コレクタ14及び燃料極側コレクタ15を通して、セパレータ本体41に伝達され、該セパレータ本体41内を流通する冷媒に伝達される。なお、単位セル11において発生した電気も同様に、空気極側コレクタ14及び燃料極側コレクタ15に良好に伝達される。
The unit cell 11 is cooled by a
前記単位セル11において発生した熱は、空気極11b及び燃料極11cの外側の面から谷部14a及び15aに伝達され、側壁部14b及び15bを通って、頂部14c及び15cからセパレータ本体41に伝達される。そのため、仮に、空気極側コレクタ14及び燃料極側コレクタ15の開口率がすべての部位で一定であるとすると、空気極側コレクタ14及び燃料極側コレクタ15内における熱伝導率は、すべての部位で一定となる。この場合、谷部14a及び15aの面積が頂部14c及び15cの面積よりも大きいので、谷部14a及び15aにおいて伝達する単位面積当たりの熱量よりも、頂部14c及び15cにおいて伝達する単位面積当たりの熱量の方が大きくなり、谷部14a及び15aにおける熱抵抗よりも頂部14c及び15cにおける熱抵抗の方が大きくなってしまう。また、側壁部14b及び15bにおいても、開口率が大きいと熱伝導率が低くなり、熱抵抗が大きくなってしまう。特に、空気中に水を供給するようにした場合には側壁部14b及び15bが冷却器の一種としての冷却フィンとして機能するが、この場合、開口率が大きいと冷却フィンとして機能する面積が減少し、熱抵抗が大きくなってしまう。そして、谷部14a及び15a並びに側壁部14b及び15bにおける熱抵抗が大きくなると、「発明が解決しようとする課題」の項において説明したように、単位セル11の積層方向に関して温度分布が発生し、空気極11b及び燃料極11cの温度が上昇してしまう。そのため、空気極11b及び燃料極11cを通して単位セル11の外側に散逸する水分の量が多くなり過ぎ、単位セル11内部の湿度が低下するので、単位セル11における発電効率が低下してしまう。
The heat generated in the unit cell 11 is transmitted to the
しかし、本実施の形態においては、空気極側コレクタ14及び燃料極側コレクタ15の各所の開口率は、単位セル11の積層方向に関して傾斜化され、前記式(1)で定義されるように変化する。そのため、頂部14c及び15cは、開口率が低く、面密度が高いので、単位面積当たりの伝達可能な熱量が増加し、熱抵抗が減少する。また、側壁部14b及び15bも、開口率が低く、面密度が高いので、単位面積当たりの伝達可能な熱量が増加し、熱抵抗が減少する。これにより、単位セル11の積層方向に関する温度分布が解消され、空気極11b及び燃料極11cの温度が上昇することがないので、図5において矢印Cで示されるような空気極11bを通して単位セル11の外側に散逸する水分、及び、図5において矢印Dで示されるような燃料極11cを通して単位セル11の外側に散逸する水分の量が抑制される。したがって、単位セル11内部の湿度を適正に維持することができ、単位セル11における発電効率を向上させることができる。
However, in the present embodiment, the aperture ratios of the air
図6は、低加湿条件、すなわち、単位セル11が比較的乾燥した状態における空気極側コレクタ14及び燃料極側コレクタ15の開口率による発電性能の比較を示している。図6において、縦軸には単位セル11における電圧を採り、横軸には電流密度を採っている。そして、▲でプロットされた実験結果を結ぶ線47は空気極側コレクタ14及び燃料極側コレクタ15の開口率がすべての部位で一定である場合を示し、◆でプロットされた実験結果を結ぶ線48は空気極側コレクタ14及び燃料極側コレクタ15の開口率が単位セル11の積層方向に関して傾斜化され、前記式(1)で定義されるように変化する場合を示している。図6から、空気極側コレクタ14及び燃料極側コレクタ15の開口率が単位セル11の積層方向に関して傾斜化され、前記式(1)で定義されるように変化する場合には、単位セル11における発電効率が向上していることが分かる。
FIG. 6 shows a comparison of power generation performance depending on the aperture ratio of the air
また、空気極側コレクタ14及び燃料極側コレクタ15が網目状の開口を有するので、燃料室内の水素ガス及び酸素室内の空気の流通が空気極側コレクタ14及び燃料極側コレクタ15によって阻害されることがない。すなわち、燃料室内の水素ガス及び酸素室内の空気は、単位セル11に接触している谷部14a及び15aの開口を通して、単位セル11の燃料極11c及び空気極11bの電極拡散層に十分に接触することができる。また、燃料室内の水素ガス及び酸素室内の空気は、側壁部14b及び15bの開口を通しても移動することができるので、燃料室内の水素ガスの流れ及び酸素室内の空気の流れがスムーズになる。特に、生成水や空気中に供給された水によって、酸素室内において水滴が発生し、該水滴が隣接する谷部14a間の流路を塞いでしまった場合、空気は側壁部14bの開口を通して隣接する流路に流れ込むことができるので、空気の流れが阻害されることがない。なお、逆拡散水によって燃料室内に水滴が発生した場合も同様である。
Further, since the air
次に、前記構成の燃料電池システムの動作について説明する。 Next, the operation of the fuel cell system having the above configuration will be described.
図7は本発明の第1の実施の形態における燃料電池システムの起動動作を示すフローチャート、図8は本発明の第1の実施の形態における燃料電池システムの空気供給量制御の動作を示すフローチャートである。 FIG. 7 is a flowchart showing the start-up operation of the fuel cell system according to the first embodiment of the present invention. FIG. 8 is a flowchart showing the air supply amount control operation of the fuel cell system according to the first embodiment of the present invention. is there.
まず、起動時における動作について説明する。燃料電池システムを起動するためには、オペレータは、図示されない起動用のスイッチをオンする(ステップS1)。すると、冷媒供給ポンプ54及び冷媒排出ポンプ51、すなわち、冷媒ポンプがオンになり(ステップS2)、冷媒の循環が開始され、セパレータ本体41内の冷媒流路45を通って冷媒が流通する。続いて、燃料電池スタック20に酸化剤としての空気を供給する装置、すなわち、空気供給系がオンになる(ステップS3)。この場合、燃料電池スタック20の単位セル11に異常反応が発生しないようにするため、空気供給ファン75が供給する空気の量が最大となるように制御される。続いて、燃料電池スタック20に燃料ガスとしての水素ガスを供給する装置、すなわち、水素供給系がオンになり(ステップS4)、起動動作が終了する。これにより、定常運転に移行し、燃料電池スタック20が発生した電流が負荷や二次電池に供給される。
First, the operation at startup will be described. In order to start the fuel cell system, the operator turns on a start switch (not shown) (step S1). Then, the
なお、燃料電池システムが、酸素室に供給される空気中に水をスプレーして供給する装置を有するものである場合には、水素供給系がオンになる前に、酸素室に供給される空気中への水の供給を開始させることが望ましい。これは、起動時においては、空気供給系がオンであるか否かに関わらず、単位セル11に空気が存在しているので、固体高分子電解質膜11aが乾燥した状態で水素ガスを供給すると、異常燃焼が発生する可能性があるからである。そのため、異常燃焼によって異常熱が発生した場合であっても、単位セル11がダメージを被らないように、水素ガスを供給する前に水を供給し、あらかじめ単位セル11の空気極11bを濡(ぬ)らしておく必要がある。これにより、異常熱を水の蒸発熱に変換し、更には、固体高分子電解質膜11aの湿潤を促進して、単位セル11のダメージを未然に防止することができる。
In the case where the fuel cell system has an apparatus for spraying and supplying water into the air supplied to the oxygen chamber, the air supplied to the oxygen chamber before the hydrogen supply system is turned on. It is desirable to start supplying water into it. This is because, at the time of start-up, air is present in the unit cell 11 regardless of whether the air supply system is on or not, so that hydrogen gas is supplied in a state where the solid polymer electrolyte membrane 11a is dry. This is because abnormal combustion may occur. Therefore, even when abnormal heat is generated due to abnormal combustion, water is supplied before supplying hydrogen gas so that the unit cell 11 is not damaged, and the
なお、起動動作が終了した後は、水素ガス供給量制御、空気供給量制御及び水供給量制御とが並列に実行される。水素ガス供給量制御においては、水素供給調圧弁25a及び25bが、爆発限界以下の所定の濃度で水素ガスが燃料極11cに供給されるように調節される。そして、起動時に閉状態の水素排気弁62をあらかじめ定められた規則に基づいて開放し、水素分圧の低下した燃料ガスを排気し、燃料極11cの雰囲気ガスをリフレッシュする処理が行われる。この際のあらかじめ定められた規則は、メモリ82に保存されており、水素供給調圧弁25a及び25bの調節、並びに、水素排気弁62の開閉は、制御装置81が前記規則をメモリ82から読み出すことによって実行される。なお、水素排気弁62を運転時に適宜開放するのは、水素排気弁62を閉じた状態で燃料電池システムの運転を続けると、空気極11bより透過するN2 、O2 又は生成水の影響によって、燃料極11cで消費される水素の分圧が徐々に低下し、これに従って燃料電池スタック20の出力電圧も低下し、安定した電圧が得られなくなるためである。
In addition, after starting operation is complete | finished, hydrogen gas supply amount control, air supply amount control, and water supply amount control are performed in parallel. In the hydrogen gas supply amount control, the hydrogen supply
また、空気供給量制御においては、まず、燃料電池スタック20から排出された直後の排出空気の温度検出が排出空気温度計74によって行われる(ステップS11)。そして、制御装置81は、検出された排出空気の温度が80〔℃〕以下であるか否かを判断する(ステップS12)。ここで、排出空気の温度が80〔℃〕以下でない、すなわち、80〔℃〕を超えている場合、単位セル11が焼き付く可能性があるので、制御装置81は風量アップを行う(ステップS13)。具体的には、空気供給ファン75の回転数を上げて空気の供給量を増加させ、熱発生源である空気極11bの温度を低下させる。
In the air supply amount control, first, the temperature of the discharged air immediately after being discharged from the
一方、排出空気の温度が80〔℃〕以下である場合、制御装置81は燃料電池スタック20、すなわち、FC本体の負荷を検出する(ステップS14)。そして、制御装置81は空気の供給量、すなわち、風量が最適であるか否かを判断する(ステップS15)。この場合、燃料電池スタック20の負荷とその状態で必要とする風量との関係を、メモリ82内にテーブル形式で保存されている関係に照らし合わせることによって、風量が最適であるか否かを判断する。そして、風量が最適でない場合、制御装置81は風量調節を行う(ステップS16)。具体的には、空気供給ファン75の回転数を調節して風量を調節する。また、風量が最適である場合には処理を終了する。
On the other hand, when the temperature of the exhaust air is 80 [° C.] or less, the
なお、水素ガス供給量制御においては、水素圧センサ27及び28によって燃料貯蔵手段73側の水素ガスの圧力が検出され、制御装置81は、水素供給調圧弁25a及び25bを調節することによって、燃料電池スタック20に供給される水素ガスの圧力が所定の値となるように調節する。また、制御装置81は、燃料供給電磁弁26の開閉を制御することによって、水素ガスの燃料電池スタック20への供給を制御する。なお、水素ガスの燃料電池スタック20への供給を遮断する場合は、燃料供給電磁弁26を閉鎖する。
In the hydrogen gas supply control, the
このように、本実施の形態においては、空気極側コレクタ14及び燃料極側コレクタ15は、開口率が局所的に変化するように形成され、単位セル11の積層方向に関して傾斜化されている。そのため、単位セル11の積層方向に関する温度分布が解消され、空気極11b及び燃料極11cの温度が上昇することがないので、空気極11b及び燃料極11cを通して単位セル11の外側に散逸する水分の量が抑制される。これにより、単位セル11内部の湿度を適正に維持することができ、単位セル11における発電効率を向上させることができる。
Thus, in the present embodiment, the air
また、空気極側コレクタ14及び燃料極側コレクタ15が網目状の開口を有するので、燃料室内の水素ガス及び酸素室内の空気の流通が空気極側コレクタ14及び燃料極側コレクタ15によって阻害されることがない。すなわち、燃料室内の水素ガス及び酸素室内の空気は、単位セル11に接触している谷部14a及び15aの開口を通して、単位セル11の燃料極11c側及び空気極11b側の電極拡散層に十分に接触することができる。また、燃料室内の水素ガス及び酸素室内の空気は、側壁部14b及び15bの開口を通しても移動することができるので、燃料室内の水素ガスの流れ及び酸素室内の空気の流れがスムーズになる。特に、生成水や空気中に供給された水によって、酸素室内において水滴が発生し、該水滴が隣接する谷部14a間の流路を塞いでしまった場合、空気は側壁部14bの開口を通して隣接する流路に流れ込むことができるので、空気の流れが阻害されることがない。また、逆拡散水によって燃料室内に水滴が発生した場合も同様である。
Further, since the air
なお、本実施の形態においては、空気極側コレクタ14及び燃料極側コレクタ15の開口率を単位セル11の積層方向に関して傾斜化させることによって、単位セル11の積層方向に関する温度分布を解消させる例についてのみ説明したが、空気極側コレクタ14及び燃料極側コレクタ15を異種材料を組み合わせたものから形成することによって、単位セル11の積層方向に関する温度分布を解消させることもできる。この場合、空気極側コレクタ14及び燃料極側コレクタ15を形成する材料を局所的に変化させ、単位セル11に接触するMEA接触部としての谷部14a及び15aを形成する材料の熱伝導率が最も低く、セパレータ本体41に接触するセパレータ接触部としての頂部14c及び15cを形成する材料の熱伝導率が最も高く、リブを構成するリブ部としての側壁部14b及び15bを形成する材料の熱伝導率が谷部14a及び15aと頂部14c及び15cとの中間となるように形成されている。なお、側壁部14b及び15bを形成する材料の熱伝導率は、頂部14c及び15cを形成する材料の熱伝導率と等しくてもよい。これにより、空気極側コレクタ14及び燃料極側コレクタ15の各所の熱抵抗は、単位セル11の積層方向に関して傾斜化され、次の式(2)で定義されるように変化する。
MEA接触部の熱抵抗>リブ部の熱抵抗≧セパレータ接触部の熱抵抗 ・・・式(2)
なお、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々変形させることが可能であり、それらを本発明の範囲から排除するものではない。
In the present embodiment, the temperature distribution in the stacking direction of the unit cells 11 is eliminated by inclining the aperture ratios of the air
Thermal resistance of MEA contact portion> Rib portion thermal resistance ≧ Separator contact portion thermal resistance (2)
In addition, this invention is not limited to the said embodiment, It can change variously based on the meaning of this invention, and does not exclude them from the scope of the present invention.
11 単位セル
11a 固体高分子電解質膜
11b 空気極
11c 燃料極
12 セパレータユニット
14 空気極側コレクタ
14a、15a 谷部
14b、15b 側壁部
14c、15c 頂部
15 燃料極側コレクタ
20 燃料電池スタック
41 セパレータ本体
11 Unit cell 11a Solid
Claims (2)
前記燃料極又は酸素極に当接させて前記セパレータ本体の一側又は両側に設けられ、前記燃料ガス或いは酸化ガスの流路となる網目状の開口が形成された集電体と、を有するセパレータユニットであって、
前記セパレータ本体は、内部に冷媒を流通させる冷媒流路が形成されており、かつ前記集電体は、前記網目状の開口を形成したエキスパンドメタル又はパンチングメタルから成るメタル板材にプレス加工を施して、前記燃料極又は酸素極に当接する電極当接部、前記セパレータ本体に当接するセパレータ当接部、及び、前記電極当接部と前記セパレータ当接部との間の側壁部が形成されており、かつ、前記電極当接部の開口率が前記電極当接部以外の部分の開口率よりも大きいことを特徴とするセパレータユニット。 A plate-shaped separator body inserted between the fuel cell sandwiching the electrolyte layer between the fuel electrode and the oxygen electrode, and blocking the fuel gas supplied to the fuel electrode and the oxidizing gas supplied to the oxygen electrode;
A separator provided on one side or both sides of the separator main body in contact with the fuel electrode or the oxygen electrode, and having a mesh-like opening serving as a flow path for the fuel gas or oxidizing gas. A unit,
The separator body, inside which is a refrigerant passage for flowing refrigerant formed, and the current collector is subjected to press working to the metal plate material made of expanded metal or punched metal to form the mesh-like openings An electrode contact portion that contacts the fuel electrode or oxygen electrode, a separator contact portion that contacts the separator body, and a side wall portion between the electrode contact portion and the separator contact portion. and a separator unit before Symbol conductive Gokuto contact opening rate of being larger than the aperture ratio of the portion other than the electrode contact portion.
電極当接部の開口率>側壁部の開口率≧セパレータ当接部の開口率 ・・・式(1) The current collector, the electrode contact portion, before xenon separator abutting portion, and, to claim 1, front SL side wall portion of each of the opening ratio of satisfies the relationship represented by the following formula (1) The separator unit described.
Opening ratio of electrode contact portion> opening ratio of side wall portion ≧ opening ratio of separator contact portion (1)
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