JP2009199882A - Fuel cell, and fuel cell stack equipped therewith - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池及びこれを備える燃料電池スタック、特に、高分子電解質形燃料電池の構造に関する。 The present invention relates to a fuel cell and a fuel cell stack including the same, and more particularly to a structure of a polymer electrolyte fuel cell.
高分子電解質形燃料電池(以下、PEFCという)は、水素を含有する燃料ガスと空気など酸素を含有する酸化剤ガスを電気化学的に反応させることで、電気と熱を同時に発生させるものである。PEFCの単電池(セル)は、高分子電解質膜及び一対のガス拡散電極(アノード及びカソード)から構成されるMEA(Membrane−Electrode−Assembly:電解質層−電極積層体)と、ガスケットと、導電性のセパレータと、を有している。 A polymer electrolyte fuel cell (hereinafter referred to as PEFC) generates electricity and heat simultaneously by electrochemically reacting a fuel gas containing hydrogen and an oxidant gas containing oxygen such as air. . A single cell (cell) of PEFC is composed of a polymer electrolyte membrane and a pair of gas diffusion electrodes (anode and cathode), MEA (Membrane-Electrode-Assembly: electrolyte layer-electrode laminate), gasket, and conductivity. And a separator.
MEAにおいては、ガス漏れを防止するためガスケットを配置する観点から、高分子電解質膜の主面の大きさが、ガス拡散電極の主面の大きさよりも大きく、かつ、正面視にて、高分子電解質膜の周縁部が、ガス拡散電極の外周よりも外側に突出するように構成されている。また、セパレータには、ガス拡散電極と当接する主面に燃料ガス又は酸化剤ガス(これらを反応ガスという)を流すための溝状の反応ガス流路が設けられている。 In the MEA, from the viewpoint of disposing a gasket to prevent gas leakage, the size of the main surface of the polymer electrolyte membrane is larger than the size of the main surface of the gas diffusion electrode, and the polymer is viewed from the front. The periphery of the electrolyte membrane is configured to protrude outward from the outer periphery of the gas diffusion electrode. Further, the separator is provided with a groove-like reaction gas flow path for flowing a fuel gas or an oxidant gas (these are called reaction gases) on the main surface in contact with the gas diffusion electrode.
そして、高分子電解質膜の周縁部にガスケットが配置されたMEAが、一対のセパレータで挟まれて、セルが構成される。燃料電池スタックは、このセルを複数積層し、積層されたセルの両端を端板で挟み、該端板とセルとを締結具により締結することにより、形成される。 The MEA in which a gasket is disposed on the peripheral edge of the polymer electrolyte membrane is sandwiched between a pair of separators to form a cell. A fuel cell stack is formed by stacking a plurality of cells, sandwiching both ends of the stacked cells with end plates, and fastening the end plates and cells with fasteners.
このようなPEFCにおける反応ガス等の漏洩を防止する観点から、ガスセパレータ(セパレータ)の周縁部に不活性ガス又は水が流通する流通溝を設けた固体高分子電解質燃料電池スタックが知られている(例えば、特許文献1参照)。図15は、特許文献1に開示されている固体高分子電解質燃料電池スタックの概略構成を模式的に示す断面図である。
From the viewpoint of preventing leakage of reaction gas and the like in such PEFC, a solid polymer electrolyte fuel cell stack in which a flow groove through which an inert gas or water flows is provided in the peripheral portion of a gas separator (separator) is known. (For example, refer to Patent Document 1). FIG. 15 is a cross-sectional view schematically showing a schematic configuration of the solid polymer electrolyte fuel cell stack disclosed in
図15に示すように、特許文献1に開示されている燃料電池スタック200では、ガスシールパッキン(ガスケット)201に、流通溝202に連通する連絡孔203を設けられている。これにより、該流通溝202に不活性ガス又は水を導入することができるようになっていると記載されている。
ところで、燃料電池の発電を行う際には、反応ガスの反応により電気と水分が発生する。反応ガスの反応に伴う生成水は、カソードで発生し、一部の生成水はアノード側へ移動する(いわゆる、逆拡散)。そして、これらの生成水は、反応ガス流路に供給される。また、反応ガス流路を通流する反応ガスは、加湿されている。これにより、高分子電解質膜へ水分が供給される。 By the way, when power generation of the fuel cell is performed, electricity and moisture are generated by the reaction of the reaction gas. The generated water accompanying the reaction of the reaction gas is generated at the cathode, and a part of the generated water moves to the anode side (so-called reverse diffusion). These produced waters are supplied to the reaction gas channel. The reaction gas flowing through the reaction gas channel is humidified. Thereby, moisture is supplied to the polymer electrolyte membrane.
しかしながら、ガス拡散電極で覆われていない高分子電解質膜の周縁部においては、反応ガスが供給されないため、高分子電解質膜への水分の供給が充分ではなく、高分子電解質膜の乾燥により、その劣化が加速するおそれがある。 However, since the reaction gas is not supplied at the peripheral portion of the polymer electrolyte membrane that is not covered with the gas diffusion electrode, the supply of moisture to the polymer electrolyte membrane is not sufficient. Deterioration may be accelerated.
本発明は、上記従来技術の課題を鑑みてなされたものであり、反応ガスを効率的に使用して、高分子電解質膜の周縁部の劣化を抑制し、発電性能を良好に向上させることができる燃料電池及び燃料電池スタックを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above-described problems of the prior art, and it is possible to efficiently improve the power generation performance by efficiently using a reaction gas and suppressing deterioration of the peripheral portion of the polymer electrolyte membrane. An object of the present invention is to provide a fuel cell and a fuel cell stack.
本発明者等は、上記従来技術の課題を解決するために鋭意検討を重ねた結果、高分子電解質膜の周縁部に配置されたガスケットに反応ガスが通流するガスケット流路を設けることによって、高分子電解質膜の周縁部に水分を供給することが、上記本発明の目的を達成する上で極めて有効であるということを見出し、本発明を想到した。 As a result of intensive studies in order to solve the above-described problems of the prior art, the present inventors have provided a gasket channel through which a reaction gas flows in a gasket disposed at the peripheral portion of the polymer electrolyte membrane, The present inventors have found that supplying water to the peripheral portion of the polymer electrolyte membrane is extremely effective in achieving the object of the present invention, and have conceived the present invention.
すなわち、本発明に係る燃料電池は、電解質層と該電解質層の周縁部より内方の部分を挟む一対の電極を有する電解質層−電極接合体と、前記電解質層−電極接合体の前記電解質の周縁部を挟み、かつ、前記一対の電極のそれぞれを囲むように配設された一対の環状のガスケットと、板状で、前記電解質層−電極接合体及び前記一対のガスケットを挟持するように配設され、前記電極と当接する一方の主面に反応ガスが流れる溝状の反応ガス流路が形成された一対の導電性のセパレータと、を備え、前記一対のガスケットの少なくとも一方には、前記反応ガス流路に連通し、前記電解質層の周縁部に接触しながら前記反応ガスが流れるように構成されたガスケット流路が設けられている。 That is, the fuel cell according to the present invention comprises an electrolyte layer and an electrolyte layer-electrode assembly having a pair of electrodes sandwiching an inner portion from the periphery of the electrolyte layer, and the electrolyte of the electrolyte layer-electrode assembly. A pair of annular gaskets arranged so as to sandwich the peripheral edge and surround each of the pair of electrodes, and plate-shaped, arranged so as to sandwich the electrolyte layer-electrode assembly and the pair of gaskets. And a pair of conductive separators each having a groove-like reaction gas flow channel in which a reaction gas flows on one main surface in contact with the electrode, and at least one of the pair of gaskets, A gasket channel is provided that communicates with the reaction gas channel and is configured to allow the reaction gas to flow while contacting the peripheral edge of the electrolyte layer.
上述したように、反応ガス流路には、反応ガスの反応により生成した水分(水蒸気)が供給される。このため、反応ガス流路には、水蒸気が充分に含まれた反応ガスが存在する。本発明に係る燃料電池では、この水蒸気を充分に有する反応ガスを、電解質層の周縁部に配置されたガスケットに形成されたガスケット流路を通流させる。燃料電池の周縁部は、大気に近接していることから、中心部に比べて温度が低いため、ガスケット流路を通流する反応ガスに含まれる水蒸気が凝縮し、凝縮した水を電解質層に供給することで、電解質層の周縁部の乾燥を抑制することができる。 As described above, moisture (water vapor) generated by the reaction of the reaction gas is supplied to the reaction gas channel. For this reason, the reaction gas channel contains a reaction gas sufficiently containing water vapor. In the fuel cell according to the present invention, the reaction gas having sufficient water vapor is caused to flow through the gasket flow path formed in the gasket disposed at the peripheral portion of the electrolyte layer. Since the peripheral portion of the fuel cell is close to the atmosphere, the temperature is lower than that of the central portion, so that the water vapor contained in the reaction gas flowing through the gasket channel is condensed, and the condensed water is used as the electrolyte layer. By supplying, drying of the peripheral part of an electrolyte layer can be suppressed.
なお、電解質層の周縁部に接触するとは、ガスケット流路に電解質層の周縁部が露出する(面する)状態をいう。 In addition, contacting with the peripheral part of an electrolyte layer means the state which the peripheral part of an electrolyte layer is exposed to the gasket flow path.
また、本発明に係る燃料電池では、前記ガスケット流路は、前記電極の外周に沿うように形成されていてもよい。 In the fuel cell according to the present invention, the gasket channel may be formed along the outer periphery of the electrode.
また、本発明に係る燃料電池では、前記ガスケット流路は、前記電極の外周を囲むように形成されていてもよい。 In the fuel cell according to the present invention, the gasket channel may be formed so as to surround the outer periphery of the electrode.
また、本発明に係る燃料電池では、前記ガスケット流路は、前記反応ガス流路の前記電極と接触する部分より下流の部分と連通していてもよい。 In the fuel cell according to the present invention, the gasket channel may be in communication with a portion of the reaction gas channel that is downstream of a portion that contacts the electrode.
なお、反応ガス流路の電極と接触する部分とは、反応ガス流路に電極が露出している(面する)部分をいう。 In addition, the part which contacts the electrode of a reactive gas flow path means the part which the electrode is exposed to the reactive gas flow path (facing).
また、本発明に係る燃料電池では、前記ガスケット流路が設けられた前記ガスケットと当接する前記セパレータの他方の主面には、冷却媒体が流れる溝状の冷却媒体流路が形成されており、前記冷却媒体流路の上流部は、少なくともその一部が前記セパレータの周縁部に設けられていてもよい。 Further, in the fuel cell according to the present invention, a groove-like cooling medium flow path through which a cooling medium flows is formed on the other main surface of the separator that contacts the gasket provided with the gasket flow path, At least a part of the upstream portion of the cooling medium flow path may be provided at the peripheral edge of the separator.
これにより、ガスケット流路が設けられたガスケットと当接するセパレータの周縁部が、冷却媒体流路の上流部分を通流する、温度が低い冷却媒体により冷却される。そして、冷却されたセパレータと当接するガスケットが、冷却される。このため、ガスケット流路を通流する反応ガスに含まれる水蒸気を容易に凝縮することができ、電解質層の周縁部の乾燥をより容易に抑制することができる。 Thereby, the peripheral part of the separator which contacts the gasket provided with the gasket flow path is cooled by the cooling medium having a low temperature flowing through the upstream part of the cooling medium flow path. Then, the gasket that contacts the cooled separator is cooled. For this reason, water vapor contained in the reaction gas flowing through the gasket channel can be easily condensed, and drying of the peripheral edge of the electrolyte layer can be more easily suppressed.
ここで、冷却媒体流路の上流部は、冷却媒体流路のうち、一端を冷却媒体流路の上流端とし、他端を式:L1≦L2を満たす部分としたときの、これらの間の部分をいう。なお、上記式中、L1は、冷却媒体流路の上流部の流路長を示し、L2は、冷却媒体流路の全流路長を示す。 Here, the upstream portion of the cooling medium flow path is between the cooling medium flow paths when one end is the upstream end of the cooling medium flow path and the other end is a portion satisfying the formula: L1 ≦ L2. Say part. In the above formula, L1 indicates the flow path length upstream of the cooling medium flow path, and L2 indicates the total flow path length of the cooling medium flow path.
また、本発明に係る燃料電池では、前記ガスケット流路が設けられた前記ガスケットと当接する前記セパレータに設けられた前記反応ガス流路の前記電極と接触する部分は、サーペンタイン状に形成されたサーペンタイン流路、と前記電極の周縁部に沿うように形成された周縁流路と、から構成されていてもよい。 Further, in the fuel cell according to the present invention, the portion of the reaction gas flow path provided in the separator that contacts the gasket provided with the gasket flow path has a serpentine shape formed in a serpentine shape. You may be comprised from the flow path and the peripheral flow path formed so that the peripheral part of the said electrode might be followed.
これにより、水分を充分に含む反応ガスが、周縁流路とガスケット流路を通流することで、電解質層の周縁部に対して、電極の外周の内側及び外側の両方から水分を供給することができ、電解質層周縁部の乾燥による劣化をより効果的に抑制することができる。 As a result, the reaction gas containing water sufficiently flows through the peripheral flow path and the gasket flow path, thereby supplying the water from both the inside and outside of the outer periphery of the electrode to the peripheral edge of the electrolyte layer. And deterioration due to drying of the periphery of the electrolyte layer can be more effectively suppressed.
また、本発明に係る燃料電池では、前記ガスケット流路が設けられた前記ガスケットと当接する前記セパレータに設けられた前記反応ガス流路は、前記電極に接触しながら前記反応ガスが流れる第1反応ガス流路と、前記セパレータの厚み方向において前記ガスケット流路と接合するように形成された第2反応ガス流路と、から構成されていてもよい。 In the fuel cell according to the present invention, the reaction gas flow path provided in the separator abutting on the gasket provided with the gasket flow path is a first reaction in which the reaction gas flows while being in contact with the electrode. You may be comprised from the gas flow path and the 2nd reaction gas flow path formed so that it might join with the said gasket flow path in the thickness direction of the said separator.
また、本発明に係る燃料電池では、前記セパレータの一方の主面には、複数の前記反応ガス流路が配設されており、該複数の反応ガス流路の前記電極と接触する部分(以下、電極接触部)は並走するように形成され、該複数の反応ガス流路のうち最も外側に位置する一対の反応ガス流路の前記電極接触部の下流の部分は、前記電極の外周に沿うように形成されていてもよい。 In the fuel cell according to the present invention, a plurality of the reaction gas flow paths are disposed on one main surface of the separator, and a portion (hereinafter referred to as the electrode) of the plurality of reaction gas flow paths is in contact with the electrodes. , The electrode contact portion) is formed so as to run in parallel, and the downstream portion of the electrode contact portion of the pair of reaction gas channels located on the outermost side among the plurality of reaction gas channels is on the outer periphery of the electrode It may be formed along.
これにより、すべての反応ガス流路にガスケット流路が連通されることがないので、複数の反応ガス流路の全体的な圧力損失の上昇を緩和させることができる。 As a result, the gasket flow paths are not communicated with all the reaction gas flow paths, so that an increase in the overall pressure loss of the plurality of reaction gas flow paths can be mitigated.
また、本発明に係る燃料電池では、前記複数の反応ガス流路のうち最も外側に位置する一対の反応ガス流路の前記電極接触部の下流の部分は、前記電極の外周を囲むように形成されていてもよい。 Further, in the fuel cell according to the present invention, the downstream portion of the electrode contact portion of the pair of reaction gas channels located on the outermost side among the plurality of reaction gas channels is formed so as to surround the outer periphery of the electrode. May be.
また、本発明に係る燃料電池では、前記電解質層−電極接合体と前記ガスケットとの間に、環状のサブガスケットが設けられており、前記サブガスケットには、前記セパレータの厚み方向において前記ガスケット流路に接合するようにサブガスケット流路が設けられていてもよい。 Further, in the fuel cell according to the present invention, an annular subgasket is provided between the electrolyte layer-electrode assembly and the gasket, and the gasket flow in the thickness direction of the separator. A sub-gasket channel may be provided so as to be joined to the path.
さらに、本発明に係る燃料電池では、前記冷却流体流路の前記上流部分以外の部分が、サーペンタイン状に形成されていてもよい。 Furthermore, in the fuel cell according to the present invention, a portion other than the upstream portion of the cooling fluid channel may be formed in a serpentine shape.
また、本発明に係る燃料電池スタックは、前記燃料電池を複数積層して締結されている。 The fuel cell stack according to the present invention is fastened by stacking a plurality of the fuel cells.
なお、本明細書における「反応ガス」には、燃料ガス及び酸化剤ガスはもとより、当該燃料ガス及び酸化剤ガスが、電極反応により生成した生成物や未反応物を含む場合も含まれる。 The “reactive gas” in this specification includes not only the fuel gas and oxidant gas, but also the case where the fuel gas and oxidant gas contain products and unreacted substances generated by the electrode reaction.
本発明の燃料電池及び燃料電池スタックによれば、発電により水分をより多く含む反応ガスをガスケット流路に通流させ、反応ガスに含まれる水蒸気を凝縮して、電解質層の周縁部に供給することにより、電解質層の周縁部の乾燥による劣化を抑制することができ、発電性能を向上させることができる。 According to the fuel cell and the fuel cell stack of the present invention, the reaction gas containing more water is caused to flow through the gasket channel by power generation, the water vapor contained in the reaction gas is condensed, and supplied to the peripheral portion of the electrolyte layer. As a result, deterioration due to drying of the peripheral portion of the electrolyte layer can be suppressed, and power generation performance can be improved.
以下、本発明の好ましい実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下の説明では、同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following description, the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.
(実施の形態1)
[燃料電池スタックの構成]
図1は、本発明の実施の形態1に係る燃料電池スタックの概略構成を模式的に示す断面図である。なお、図1においては、一部を省略している。
(Embodiment 1)
[Configuration of fuel cell stack]
FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing a schematic configuration of the fuel cell stack according to
図1に示すように、本発明の実施の形態1に係る燃料電池スタック100は、複数の燃料電池(単セル)11を備えている。なお、燃料電池11は、ここでは、高分子電解質形燃料電池で構成されている。
As shown in FIG. 1, the
燃料電池11は、MEA(Membrane−Electrode−Assembly:電解質層−電極接合体)5と、アノードガスケット6aと、カソードガスケット6bと、アノードセパレータ7aと、カソードセパレータ7bと、を備えている。
The
まず、MEA5の構成について説明する。 First, the configuration of the MEA 5 will be described.
MEA5は、高分子電解質膜(電解質層)1と、アノード4aと、カソード4bと、を有している。高分子電解質膜1は、略4角形(ここでは、矩形)の形状を有している。高分子電解質膜1の両面には、その周縁部より内方に位置するように、アノード4a及びカソード4b(これらを電極という)が、それぞれ配設されている。なお、高分子電解質膜1の周縁部には、後述する燃料ガス供給用マニホールド孔等の各マニホールド孔が厚み方向に貫通するように設けられている(図示せず)。
The MEA 5 includes a polymer electrolyte membrane (electrolyte layer) 1, an
アノード4aは、高分子電解質膜1の一方の主面上に設けられ、アノード触媒層2aと、アノード触媒層2aの主面上に設けられたアノードガス拡散層3aと、を有している。アノード触媒層2a及びアノードガス拡散層3aは、ここでは、高分子電解質膜1と相似の矩形に形成され、高分子電解質膜1の厚み方向から見て、アノードガス拡散層3aの方が、アノード触媒層2aよりもその主面が大きくなるように構成されている。
The
カソード4bは、高分子電解質膜1の他方の主面上に設けられ、カソード触媒層2bと、カソード触媒層2bの主面上に設けられたカソードガス拡散層3bと、を有している。カソード触媒層2b及びカソードガス拡散層3bは、ここでは、高分子電解質膜1と相似の矩形に形成され、高分子電解質膜1の厚み方向から見て、カソードガス拡散層3bの方が、カソード触媒層2bよりもその主面が大きくなるように構成されている。
The
次に、MEA5の各構成要素について説明する。 Next, each component of the MEA 5 will be described.
高分子電解質膜1は、固体電解質からなり、水素イオンを選択的に輸送する水素イオン伝導性を有する。発電中のMEA5では、アノード4aで生成する水素イオンは、この高分子電解質膜1中をカソード4bに向けて移動する。
The
高分子電解質膜1としては、特に限定されるものではなく、通常の固体高分子形燃料電池に搭載される高分子電解質膜を使用することができる。例えば、パーフルオロカーボンスルホン酸からなる高分子電解質膜(例えば、米国DuPont社製のNafion(商品名)、旭硝子(株)製のFlemion(商品名)及びAciplex(商品名)、又はジャパンゴアテックス(株)製のGSII(商品名)等)を使用することができる。
The
高分子電解質膜1の陽イオン交換基としては、スルホン酸基、カルボン酸基、ホスホン酸基、又はスルホンイミド基を有するものが好ましく挙げられる。プロトン伝導性の観点から、高分子電解質膜1はスルホン酸基を有するものが特に好ましい。
Preferred examples of the cation exchange group of the
スルホン酸基を有する高分子電解質膜を構成する樹脂としては、イオン交換容量が0.5〜1.5meq/gの乾燥樹脂であることが好ましい。高分子電解質膜のイオン交換容量が0.5meq/gの乾燥樹脂以上であると、発電時における高分子電解質膜の抵抗値の上昇をより充分に低減できるので好ましく、イオン交換容量が1.5meq/gの乾燥樹脂以下であると、高分子電解質膜の含水率を適当に保ちつつ、触媒層中の良好なガス拡散特性を充分に確保しやすいため好ましい。また、以上と同様の観点から、イオン交換容量が、0.8〜1.2meq/gの乾燥樹脂が特に好ましい。 The resin constituting the polymer electrolyte membrane having a sulfonic acid group is preferably a dry resin having an ion exchange capacity of 0.5 to 1.5 meq / g. It is preferable that the ion exchange capacity of the polymer electrolyte membrane be 0.5 meq / g or more of a dry resin because the increase in the resistance value of the polymer electrolyte membrane during power generation can be more sufficiently reduced, and the ion exchange capacity is 1.5 meq. / G dry resin or less is preferred because it is easy to sufficiently ensure good gas diffusion characteristics in the catalyst layer while keeping the moisture content of the polymer electrolyte membrane appropriately. From the same viewpoint as described above, a dry resin having an ion exchange capacity of 0.8 to 1.2 meq / g is particularly preferable.
高分子電解質としては、CF2=CF−(OCF2CFX)m−Op−(CF2)n−SO3Hで表されるパーフルオロビニル化合物(mは0〜3の整数を示し、nは1〜12の整数を示し、pは0又は1を示し、Xはフッ素原子又はトリフルオロメチル基を示す。)に基づく重合単位と、テトラフルオロエチレンに基づく重合単位とを含む共重合体であることが好ましい。 As the polymer electrolyte, CF 2 = CF- (OCF 2 CFX) m -O p - (CF 2) a perfluorovinyl compound represented by n -SO 3 H (m is an integer of 0 to 3, n Represents an integer of 1 to 12, p represents 0 or 1, and X represents a fluorine atom or a trifluoromethyl group.) And a copolymer comprising a polymer unit based on tetrafluoroethylene. Preferably there is.
上記フルオロビニル化合物の好ましい例としては、下記式(1)〜(3)で表される化
合物が挙げられる。ただし、下記式中、qは1〜8の整数、rは1〜8の整数、tは1〜
3の整数を示す。
Preferable examples of the fluorovinyl compound include compounds represented by the following formulas (1) to (3). However, in the following formula, q is an integer of 1 to 8, r is an integer of 1 to 8, and t is 1 to 8.
An integer of 3 is shown.
CF2=CFO(CF2)q−SO3H ・・・(1)
CF2=CFOCF2CF(CF3)O(CF2)r−SO3H ・・・(2)
CF2=CF(OCF2CF(CF3))tO(CF2)2−SO3H ・・・(3)
なお、高分子電解質膜1は、一種又は複数種の高分子電解質で構成されていてもよい。
CF 2 = CFO (CF 2) q -SO 3 H ··· (1)
CF 2 = CFOCF 2 CF (CF 3) O (CF 2) r -SO 3 H ··· (2)
CF 2 = CF (OCF 2 CF (CF 3)) t O (CF 2) 2 -SO 3 H ··· (3)
In addition, the
また、高分子電解質膜1は、充分な機械的強度を確保する観点から、内部に水素イオン伝導を確保できる状態で配置される補強体(充填材)を含んでいてもよい。このような補強体としては、その内部に高分子電解質(水素イオン伝導性を有するもの)を充填可能な孔を有する多孔体又はフィブリル状の繊維からなるもの等が挙げられる。また、上記補強体を構成する材料としては、例えば、ポリテトラフルオルエチレン、又はポリフルオロアルコキシエチレンが挙げられる。
In addition, the
なお、フィブリル状の繊維とは、表面に存在するフィブリル(小繊維)が毛羽立ち、ささくれた状態(フィブリル化した状態)となっている繊維をいい、各フィブリルの間に微細な空気溝(孔)が形成されている繊維をいう。例えば、セルロース系繊維はすべて、フィブリルが多数集まった束であり、各フィブリルの間には微細な空気溝(孔)がある。 Fibril-like fibers are fibers in which fibrils (small fibers) existing on the surface are fluffed and fluffed (fibrillated), and fine air grooves (holes) between the fibrils. Refers to the fiber in which is formed. For example, all cellulosic fibers are bundles of many fibrils, and there are fine air grooves (holes) between the fibrils.
また、アノード触媒層2a及びカソード触媒層2bは、本発明の効果を得られるものであれば特に限定されず、公知の燃料電池におけるガス拡散電極の触媒層と同様の構成を有していてもよく、例えば、電極触媒が担持された導電性炭素粒子(粉末)と、陽イオン(水素イオン)伝導性を有する高分子電解質と、を含むような構成であってもよく、また、ポリテトラフルオロエチレン等の撥水材料を更に含むような構成であってもよい。また、アノード触媒層2a及びカソード触媒層2bの構成は、同一であってもよく、異なっていてもよい。なお、高分子電解質としては、上述した高分子電解質膜1を構成する材料と同種のものを使用してもよく、また、異なる種類のものを使用してもよい。
The
また、アノード触媒層2a及びカソード触媒層2bを構成する電極触媒としては、金属粒子を用いることができる。当該金属粒子としては、特に限定されず、種々の金属を使用することができるが、電極反応活性の観点から、白金、金、銀、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、イリジウム、クロム、鉄、チタン、マンガン、コバルト、ニッケル、モリブデン、タングステン、アルミニウム、ケイ素、亜鉛及びスズからなる金属群より選択される少なくとも1以上の金属であることが好ましい。なかでも、白金、又は白金と上記金属群より選択される少なくとも一以上の金属との合金が好ましく、白金とルテニウムの合金が、アノード触媒層2aにおいて触媒の活性が安定し、一酸化炭素に対する良好な耐久性を持たせることから特に好ましい。
Moreover, metal particles can be used as the electrode catalyst constituting the
また、電極触媒に用いる上記金属粒子は、平均粒径1〜5nmであることが好ましい。平均粒径1nm以上の電極触媒は工業的に調製が容易であるため好ましく、また、5nm以下であると、電極触媒質量あたりの活性をより充分に確保しやすくなるため、燃料電池のコストダウンにつながり好ましい。 Moreover, it is preferable that the said metal particle used for an electrode catalyst is 1-5 nm in average particle diameter. An electrode catalyst having an average particle diameter of 1 nm or more is preferable because it can be easily prepared industrially, and if it is 5 nm or less, the activity per mass of the electrode catalyst can be more easily secured, thereby reducing the cost of the fuel cell. Connection is preferable.
上記導電性炭素粒子は、比表面積が50〜1500m2/gであることが好ましい。比表面積が50m2/g以上であると、電極触媒の担持率を上げることが容易であり、得られたアノード触媒層2a、又はカソード触媒層2bの出力特性をより充分に確保できることから好ましく、比表面積が1500m2/g以下であると、充分な大きさの細孔をより容易に確保できるようになり、かつ、高分子電解質による被覆がより容易となり、アノード触媒層2a、又はカソード触媒層2bの出力特性をより充分に確保できることから好ましい。上記と同様の観点から、比表面積は200〜900m2/gであることが、より好ましい。
The conductive carbon particles preferably have a specific surface area of 50 to 1500 m 2 / g. A specific surface area of 50 m 2 / g or more is preferable because it is easy to increase the loading ratio of the electrode catalyst, and the output characteristics of the obtained
また、導電性炭素粒子は、その平均粒径が0.1〜1.0μmであることが好ましい。導電性炭素粒子の平均粒径が0.1μm以上であると、アノード触媒層2a、又はカソード触媒層2b中のガス拡散性をより充分に確保し易くなり、フラッディングをより確実に抑制できるようになるため好ましい。また、導電性炭素粒子の平均粒径が1.0μm以下であると、高分子電解質による電極触媒の被覆状態をより容易に良好な状態とし易くなり、高分子電解質による電極触媒の被覆面積をより充分に確保し易くなるため、充分な電極性能をより確保し易くなり好ましい。
The conductive carbon particles preferably have an average particle size of 0.1 to 1.0 μm. When the average particle diameter of the conductive carbon particles is 0.1 μm or more, gas diffusibility in the
なお、アノード触媒層2a及びカソード触媒層2bは、貴金属からなる電極触媒を担持した導電性炭素粒子と、高分子電解質と、分散媒と、を含む触媒層形成用インクを用いて、当該分野で公知の方法により形成することができる。
In addition, the
また、アノードガス拡散層3a及びカソードガス拡散層3bを構成する材料としては、特に限定されることなく、当該分野で公知のものを使用することができる。例えば、ガス透過性を持たせるために、高比表面積のカーボン微粉末、造孔材、カーボンペーパー、又はカーボンクロス等を用いて作製された、多孔質構造を有する導電性基材を用いてもよい。また、充分な排水性を得る観点から、フッ素樹脂を代表とする撥水性高分子等をアノードガス拡散層3a、又はカソードガスガス拡散層3bの中に分散させてもよい。さらに、充分な電子伝導性を得る観点から、カーボン繊維、金属繊維またはカーボン微粉末などの電子伝導性材料でアノードガス拡散層3a、又はカソードガス拡散層3bを構成してもよい。なお、アノードガス拡散層3a及びカソードガス拡散層3bの構成は、同一であってもよく、異なっていてもよい。
Moreover, as a material which comprises the anode
次に、燃料電池11の残りの構成について説明する。
Next, the remaining configuration of the
MEA5のアノード4a及びカソード4bの周囲には、高分子電解質膜1の周縁部を挟んで一対の断面形状が略矩形で環状のガスケット、すなわち、アノードガスケット6a及びカソードガスケット6bが配設されている。また、カソードガスケット6bには、厚み方向に貫通する貫通溝31が形成されており、該貫通溝31が、ガスケット流路31を構成する。なお、アノードガスケット6a及びカソードガスケット6bの周縁部には、後述するように、燃料ガス供給用マニホールド孔等の各マニホールド孔が設けられている(図4参照)。これにより、燃料ガス、空気や酸化剤ガスが電池外にリークされることが防止され、また、燃料電池11内でこれらのガスが互いに混合されることが防止される。
Around the periphery of the
なお、アノードガスケット6a及びカソードガスケット6bの構成材料としては、優れたガスシール性を有していれば、特に限定されず、公知の高分子電解質形燃料電池のガスケットに使用されているものを使用することができる。例えば、アノードガスケット6a及びカソードガスケット6bは、Oリング、ゴム状シート(フッ素ゴムからなるシート等)、弾性樹脂と剛性樹脂との複合シート、フッ素系の合成樹脂シート等を用いて従来公知の方法によって作製することができる。
The constituent materials of the
また、MEA5とアノードガスケット6a及びカソードガスケット6bを挟むように、導電性を有する板状のアノードセパレータ7aとカソードセパレータ7bが配設されている。また、これらのセパレータ7a、7bの周縁部には、後述するように、燃料ガス供給用マニホールド孔23等の各マニホールド孔が設けられている(図2及び図3参照)。
Further, a plate-
これにより、MEA5が機械的に固定され、複数の燃料電池11をその厚み方向に積層したときには、MEA5が電気的に接続される。なお、これらのセパレータ7a、7bは、熱伝導性及び導電性に優れた金属、黒鉛、または、黒鉛と樹脂を混合したものを使用することができ、例えば、カーボン粉末とバインダー(溶剤)との混合物を射出成形により作製したものやチタンやステンレス鋼製の板の表面に金メッキを施したものを使用することができる。
Thus, the MEA 5 is mechanically fixed, and when the plurality of
アノードセパレータ7aのアノード4aと接触する一方の主面(以下、内面という)には、アノード4aに燃料ガスを供給し、電極反応により生成した生成物(例えば、水分)や未反応の燃料ガスをMEA5の外部に運び去るための溝状の燃料ガス流路8が設けられており、また、他方の主面(以下、外面という)には、冷却媒体が通流するための冷却媒体流路10が設けられている。なお、燃料ガス流路8は、ここでは、サーペンタイン状に形成されており(図示せず)、同様に、冷却媒体流路10は、サーペンタイン状に形成されている(図3参照)。
A fuel gas is supplied to the
同様に、カソードセパレータ7bのカソード4bと接触する一方の主面(以下、内面という)には、カソード4bに酸化剤ガスを供給し、電極反応により生成した生成物や未反応の燃料ガスをMEA5の外部に運び去るための溝状の酸化剤ガス流路9が設けられており、また、他方の主面(以下、外面という)には、冷却媒体が通流するための冷却媒体流路10が設けられている。なお、酸化剤ガス流路9は、第1酸化剤ガス流路(第1反応ガス流路)9aとガスケット流路31と接合するように形成された第2酸化剤ガス流路(第2反応ガス流路)9bから構成されている(図4参照)。
Similarly, an oxidant gas is supplied to the
これにより、アノード4a及びカソード4bには、それぞれ燃料ガス及び酸化剤ガスが供給され、これらのガスが反応して電気と熱が発生する。また、冷却水等の冷却媒体を冷却媒体流路10に通流させることにより、発生した熱の回収が行われ、発電中の燃料電池11内の温度をほぼ一定に調節することができる。
As a result, fuel gas and oxidant gas are supplied to the
なお、本実施の形態においては、製造工程を簡素化できる等の利点から、燃料ガス流路8及び酸化剤ガス流路9は、各セパレータ7a、7bの内面に溝を設けることにより形成されている。また、上記と同様の利点から、冷却媒体流路10も、各セパレータ7a、7bの外面に溝を設けることにより形成されている。
In the present embodiment, the fuel
そして、このように構成された燃料電池11が、複数(例えば、20セル)積層されて、その両端に集電板及び絶縁板(いずれも図示せず)をそれぞれ配設し、絶縁板の両側に端板(図示せず)をそれぞれ配置して、締結具(図示せず)で締結されて、燃料電池スタック100が形成される。なお、高分子電解質膜1等に設けられた燃料ガス供給用マニホールド孔等の各マニホールド孔は、積層方向につながって、燃料ガス供給用マニホールド等の各マニホールドを構成する。すなわち、本実施の形態の燃料電池スタック100は、セパレータ7a、7b中にマニホールドを有する、いわゆる「内部マニホールド型」の構成を有している。
A plurality (for example, 20 cells) of the
次に、カソードガスケット6bの構成について、図1及び図2を参照しながら詳細に説明する。なお、アノードガスケット6aには、ガスケット流路31が設けられていない。これ以外のアノードガスケット6aの構成については、カソードガスケット6bと基本的構成が同じであるため、その詳細な説明は省略する。
Next, the configuration of the
[ガスケットの構成]
図2は、図1に示す燃料電池スタック100における燃料電池11のカソードガスケット6bの一方の主面(高分子電解質膜1と当接している側の主面:以下、内面という)の概略構成を示す模式図である。なお、図2においては、カソードガスケット6bにおける上下方向を図における上下方向として表し、また、後述する酸化剤ガス流路9の第1酸化剤ガス流路9aを二点鎖線で示している。
[Composition of gasket]
2 shows a schematic configuration of one main surface of the
図1及び図2に示すように、環状で、かつ、矩形に形成されており、その主面(内面)には中央開口が設けられている。該中央開口は、後述するカソード触媒層2bの主面より若干大きく形成されている。また、カソードガスケット6bの内面には、厚み方向に貫通する酸化剤ガス供給用マニホールド孔21等の各マニホールド孔が設けられている。なお、酸化剤ガス排出用マニホールド孔は、ここでは、2つ設けられている。
As shown in FIG.1 and FIG.2, it is cyclic | annular and it is formed in the rectangle, The center opening is provided in the main surface (inner surface). The central opening is formed slightly larger than the main surface of the
具体的には、酸化剤ガス供給用マニホールド孔21は、カソードガスケット6bの上部における一方の側部(図面左側の側部:以下、第1の側部という)に設けられ、また、一方の酸化剤ガス排出用マニホールド孔22aは、酸化剤ガス供給用マニホールド孔21の他方の側部(図面右側の側部:以下、第2の側部という)側に設けられ、他方の酸化剤ガス排出用マニホールド孔22bは、酸化剤ガス供給用マニホールド孔21の下方に設けられている。また、燃料ガス供給用マニホールド孔23は、カソードガスケット6bの上部における酸化剤ガス供給用マニホールド孔21と酸化剤ガス排出用マニホールド孔22aの間に設けられ、燃料ガス排出用マニホールド孔24は、カソードガスケット6bの下部における第2の側部に設けられている。さらに、冷却媒体供給用マニホールド孔25は、カソードガスケット6bの上部における第2の側部に設けられており、冷却媒体排出用マニホールド孔26は、カソードガスケット6bの下部における第1の側部に設けられている。
Specifically, the oxidant gas
なお、本実施の形態1においては、酸化剤ガス供給用マニホールド孔等の各マニホールド孔は、その開口形状が略円となるように形成されているが、これに限定されず、例えば、楕円や多角形等の任意の形状に形成されてもよい。 In the first embodiment, each manifold hole such as the oxidant gas supply manifold hole is formed so that its opening shape is substantially a circle. However, the present invention is not limited to this. You may form in arbitrary shapes, such as a polygon.
また、カソードガスケット6bの内面には、ガスケット流路31が、中央開口(内周)を囲むように(カソード4bを囲むように)配設されている。ガスケット流路31は、厚み方向に貫通する貫通溝で形成されている。そして、図1に示すように、ガスケット流路31を形成する貫通溝は、高分子電解質膜1の周縁部が露出するように(接触するように)形成されている。
A
また、図2に示すように、ガスケット流路31は、その上流端が、後述する酸化剤ガス流路9の第1酸化剤ガス流路9aの下流端と接続するように形成されており、その下流端が、2つの酸化剤ガス排出用マニホールド孔22a、22bと接続するように形成されている。
Further, as shown in FIG. 2, the
具体的には、ガスケット流路31の上流端は、燃料ガス排出用マニホールド孔24の上方に位置しており、ガスケット流路31は、その上流端からある距離下方に延びるように形成された流路31cと、流路31cの下流端から分岐している2つの流路31a、31bと、を有している。一方の分岐した流路31aは、カソードガスケット6bの中央開口(内周)に沿って(カソード4bの外周に沿って)、流路31cの下流端から第2の側部に向かって水平方向にある距離延び、そこから、上方にある距離延び、その到達点から、第1の側部に向かって水平方向にある距離延びている。そして、流路31aは、そこから、酸化剤ガス排出用マニホールド孔22aに到るように上方に延びている。また、他方の分岐した流路31bは、カソードガスケット6bの中央開口(内周)に沿って(カソード4bの外周に沿って)、流路31cの下流端から第1の側部に向かって水平方向にある距離延び、そこから、上方にある距離延びている。そして、流路31bは、その到達点から、酸化剤ガス排出用マニホールド孔22bに到るように水平方向に延びている。このようにして、ガスケット流路31は、全体として、カソードガスケット6bの中央開口(カソード4bの外周)に沿って、該開口を囲むように形成されている。
Specifically, the upstream end of the
次に、カソードセパレータ7bについて、図1及び図3、図4を参照しながら詳細に説明する。なお、アノードセパレータ7aには、ガスケット流路31に接合する流路は設けられておらず、通常の態様の燃料ガス流路が設けられている。また、アノードセパレータ7aの他の構成については、カソードセパレータ7bと基本的構成が同じであるため、その詳細な説明は省略する。
Next, the
[セパレータの構成]
図3は、図1に示す燃料電池スタック100における燃料電池11のカソードセパレータ7bの外面形状を示す模式図であり、図4は、図1に示す燃料電池スタック100における燃料電池11のカソードセパレータ7bの内面形状を示す模式図である。なお、図3及び図4においては、カソードセパレータ7bにおける上下方向を図における上下方向として表し、また、二点鎖線は、カソード4bの外周を表している。
[Composition of separator]
FIG. 3 is a schematic diagram showing the outer shape of the
図3に示すように、カソードセパレータ7bは、略矩形に形成されており、その外面の周縁部には、厚み方向に貫通する燃料ガス供給用マニホールド孔23等の各マニホールド孔が形成されている。また、カソードセパレータ7bの外面には、冷却媒体供給用マニホールド孔25と冷却媒体排出用マニホールド孔26とを結ぶように、冷却媒体流路10が設けられている。冷却媒体流路10は、ここでは、1つの流路溝で構成されており、サーペンタイン状に形成されている。
As shown in FIG. 3, the
また、図4に示すように、カソードセパレータ7bの内面には、酸化剤ガス供給用マニホールド孔21と酸化剤ガス排出用マニホールド孔22a、22bとを結ぶように、酸化剤ガス流路9が配設されている。酸化剤ガス流路9は、ここでは、1つの流路溝で構成されており、カソード4bが露出するように(カソード4bと接触するように)サーペンタイン状に形成された第1酸化剤ガス流路(第1反応ガス流路)9aとカソード4bの外周に沿って囲むように形成された第2酸化剤ガス流路(第2反応ガス流路)9bとを有している。なお、第1酸化剤ガス流路9aが、酸化剤ガス流路9の電極接触部を構成する。
Further, as shown in FIG. 4, an oxidant
第1酸化剤ガス流路9aは、その上流端が、酸化剤ガス供給用マニホールド孔21に接続され、その下流端が、カソード4bの外周に位置するように形成されており、往復部と反転部とで実質的に構成されている。そして、第1酸化剤ガス流路9aの下流端は、カソードセパレータ7bの上下方向に延びるように形成された接続流路9cの上流端に接続されている。また、第2酸化剤ガス流路9bは、2つの流路9b1、9b2を有しており、これらの流路の上流端は、接続流路9cの下流端にそれぞれ接続され、それぞれの下流端は、2つの酸化剤ガス排出用マニホールド孔22a、22bに接続されている。
The first oxidant
具体的には、第1酸化剤ガス流路9aは、酸化剤ガス供給用マニホールド孔21から燃料ガス排出用マニホールド孔24の方向(すなわち、図2における斜め右下方向)にある距離延び、そこから、第2の側部に向かって水平方向にある距離延びている。ついで、その到達点から、下方にある距離延び、そこから、第1の側部に向かって水平方向にある距離延び、そこから、下方にある距離延びている。そして、上記延在パターンを3回繰り返し、そこから、第2の側部に向かって水平方向にある距離延び、その到達点から、カソード4bの外周における下部に到るように下方に延びている。このような、第1酸化剤ガス流路9aの水平方向に延びる部分が往復部を構成し、下方に延びる部分が反転部を構成している。
Specifically, the first oxidant
また、第2酸化剤ガス流路9bにおける一方の分岐した流路9b1は、カソード4bの外周に沿って、接続流路9cの下流端から第2の側部に向かって水平方向にある距離延び、そこから、上方にある距離延び、その到達点から、第1の側部に向かって水平方向にある距離延びている。そして、流路9b1は、そこから、酸化剤ガス排出用マニホールド孔21aに到るように上方に延びている。また、他方の分岐した流路9b2は、カソード4bの外周に沿って、接続流路9cの下流端から第1の側部に向かって水平方向にある距離延び、そこから、上方にある距離延びている。そして、流路9b2は、その到達点から、酸化剤ガス排出用マニホールド孔22bに到るように水平方向に延びている。このようにして、第2酸化剤ガス流路9bは、全体として、カソード4bの外周を囲むように形成されている。すなわち、第2酸化剤ガス流路9bは、カソードセパレータ7bの厚み方向から見て、ガスケット流路31と重なる(ここでは、実質的に一致する)ように形成されており、カソードセパレータ7bの厚み方向において、ガスケット流路31と接合している(図1参照)。
In addition, one branched flow path 9b1 in the second oxidant
なお、本実施の形態における酸化剤ガス流路9は、通常の態様の酸化剤ガス流路の圧力損失と同じになるように形成されている。すなわち、通常の態様の酸化剤ガス流路の全流路長Lと酸化剤ガス流路における酸化剤ガスの流れに対する垂直方向の断面積(以下、単に断面積という)Sとの比であるL/Sと、本実施の形態における酸化剤ガス流路9の全流路長L3と酸化剤ガス流路9における断面積S1との比であるL3/S1が一致するように、第1、第2酸化剤ガス流路9a、9b及び接続流路9cの溝幅や溝の深さ、及びガスケット流路31の溝幅や溝の深さ(カソードガスケット6bの厚み)が調整されている。
In addition, the oxidant
また、接続流路9c及び第2酸化剤ガス流路9bは、接続流路9c、第2酸化剤ガス流路9b、及びガスケット流路31で構成される流路の圧力損失が、第1酸化剤ガス流路9aと比べて変化しないように形成されている。ここでは、接続流路9c、第2酸化剤ガス流路9b、及びガスケット流路31で構成される流路の断面積S3と、第1酸化剤ガス流路9aの断面積S2と、が一致するように、第1、第2酸化剤ガス流路9a、9b及び接続流路9cの溝幅や溝の深さ、並びにガスケット流路31の溝幅や溝の深さ(カソードガスケット6bの厚み)が調整されている。
In addition, the
これにより、酸化剤ガス供給用マニホールド孔21から第1酸化剤ガス流路9aの上流端に酸化剤ガスが供給され、供給された酸化剤ガスは、第1酸化剤ガス流路9aを通流して、接続流路9c、第2酸化剤ガス流路9b、及びガスケット流路31で構成された流路に供給され、該流路を通流して、酸化剤ガス排出用マニホールド孔21a、21bに排出される。
As a result, the oxidant gas is supplied from the oxidant gas
次に、本実施の形態1に係る燃料電池スタック100の作用効果について、図1乃至図4を参照しながら説明する。
Next, the effect of the
[燃料電池スタックの作用効果]
まず、燃料電池スタック100の燃料ガス供給用マニホールド、又は酸化剤ガス供給用マニホールドから、燃料電池スタック100を構成する各燃料電池11の燃料ガス流路8、又は第1酸化剤ガス流路9aに、加湿された燃料ガス、又は酸化剤ガスが供給される。燃料ガス流路8、又は第1酸化剤ガス流路9aに供給された燃料ガス、又は酸化剤ガスは、それぞれ、燃料ガス流路8、又は第1酸化剤ガス流路9aを通流する間に、アノード4a、又はカソード4bに供給される。
[Operation effect of fuel cell stack]
First, from the fuel gas supply manifold or the oxidant gas supply manifold of the
アノード4aでは、H2→2H++2e-の反応が起こり、また、カソード4bでは、1/2O2+2H++2e-→H2Oの反応が起こり、水(水蒸気)が生成される。また、これらの反応に伴って、電気及び熱が発生する。なお、カソード4bで生成された水の一部は、いわゆる逆拡散によってアノード4a側に移動する。
At the
このようにして生成された水蒸気(燃料電池スタック100に供給される前に反応ガスを加湿するための水蒸気を含む)は、未反応の燃料ガス、又は酸化剤ガスとともに、燃料ガス流路8、又は第1酸化剤ガス流路9aを通流する。このため、第1酸化剤ガス流路9aの下流部分には、水蒸気を充分に含有する酸化剤ガスが通流する。
The water vapor generated in this way (including water vapor for humidifying the reaction gas before being supplied to the fuel cell stack 100), together with the unreacted fuel gas or oxidant gas, Alternatively, it flows through the first oxidant
そして、この水蒸気を充分に含有する酸化剤ガスが、第2酸化剤ガス流路9bとガスケット流路31で構成される流路に供給される。第2酸化剤ガス流路9b及びガスケット流路31は、燃料電池11(高分子電解質膜1)の周縁部に配設されており、燃料電池11の周縁部は、大気に近接しているため、その中心部に比べて温度が低い。
Then, the oxidant gas sufficiently containing water vapor is supplied to the flow path constituted by the second oxidant
このため、水蒸気を充分に含有する酸化剤ガスが、第2酸化剤ガス流路9bとガスケット流路31で構成される流路を通流する間に、水蒸気を容易に凝縮することができる。そして、この凝縮した水は、高分子電解質膜1の周縁部に供給されるので、高分子電解質膜1の周縁部の乾燥を抑制することができる。
For this reason, it is possible to easily condense the water vapor while the oxidizing gas sufficiently containing water vapor flows through the flow path constituted by the second oxidizing
なお、本実施の形態においては、ガスケット流路31全体を厚み方向に貫通する貫通溝で形成される構成としたが、これに限定されず、例えば、流路31cのみを貫通溝で形成し、流路31a、31bを厚み方向に貫通しない溝で形成する構成としてもよく、また、ガスケット流路31をカソードガスケット6bの内面に溝状に形成し、その上流端を厚み方向に貫通する貫通孔によって接続流路9cに連通させる構成としてもよい。
In the present embodiment, the
また、接続流路9c、第2酸化剤ガス流路9b、及びガスケット流路31で構成される流路の断面積S3と、第1酸化剤ガス流路9aの断面積S2と、が一致するように、第1、第2酸化剤ガス流路9a、9b及び接続流路9cの溝幅や溝の深さ、並びにガスケット流路31の溝幅や溝の深さ(カソードガスケット6bの厚み)が調整したが、これに限定されず、接続流路9c及び第2酸化剤ガス流路9bは、接続流路9c、第2酸化剤ガス流路9b、及びガスケット流路31で構成される流路の圧力損失が、第1酸化剤ガス流路9aと比べて変化しなければ、第1、第2酸化剤ガス流路9a、9b及び接続流路9cの溝幅や溝の深さ、並びにガスケット流路31の溝幅や溝の深さ(カソードガスケット6bの厚み)は任意に設定することができる。
Further, the cross-sectional area S3 of the flow path constituted by the
(実施の形態2)
本発明の実施の形態2に係る燃料電池スタックは、基本的構成は、実施の形態1に係る燃料電池スタック100と同じであるが、カソードセパレータ7bの外面に配設された冷却媒体流路10の構成が以下のように異なる。
(Embodiment 2)
The basic configuration of the fuel cell stack according to Embodiment 2 of the present invention is the same as that of the
[セパレータの構成]
図5は、本発明の実施の形態2に係る燃料電池スタックにおける燃料電池のカソードセパレータの外面形状を示す模式図である。なお、図5においては、カソードセパレータにおける上下方向を図における上下方向として表している。
[Composition of separator]
FIG. 5 is a schematic diagram showing the outer shape of the cathode separator of the fuel cell in the fuel cell stack according to Embodiment 2 of the present invention. In FIG. 5, the vertical direction of the cathode separator is represented as the vertical direction in the figure.
本実施の形態2では、カソードセパレータ7bにおける冷却媒体流路10を、カソード4bの外周に沿って、カソード4bの上部を囲むように形成している。ここで、カソード4bの上部とは、カソード4bにおける第1酸化剤ガス流路9aの上流側の部分と対向する部分をいう。また、冷却媒体流路の上流部10cは、冷却媒体流路10のうち、一端を冷却媒体流路10の上流端である冷却媒体供給用マニホールド孔23の接続端とし、他端を式:L1≦L2を満たす部分とし、これらの間の部分をいう。なお、上記式中、L1は、冷却媒体流路10の上流部10cの流路長を示し、L2は、冷却媒体流路10の全流路長を示す。
In the second embodiment, the cooling
具体的には、冷却媒体流路10の上流部10cは、冷却媒体供給用マニホールド孔23から下方にある距離延び、そこで2つの流路10a、10bに分岐している。一方の分岐した流路10aは、カソード4bの外周に沿って、分岐点から第1の側部に向かって水平方向にある距離延び、そこから、カソード4bの外周のうち第1の側部側端の略中央にまで下方に延び、その到達点で折り返している。そして、流路10aは、その折り返し点から、カソード4bの外周に沿って、上方にある距離延び、そこから、第2の側部に向かって水平方向にある距離延び、その到達点から、下方にある距離延び、他方の流路10bと合流している。また、他方の流路10bは、カソード4bの外周に沿って、分岐点から第2の側部に向かって水平方向にある距離延び、そこから、カソード4bの外周のうち第2の側部側端の略中央にまで下方にある距離延び、その到達点で折り返している。そして、流路10bは、その折り返し点から、上方にある距離延び、その到達点から、第1の側部に向かって水平方向にある距離延び、流路10aと合流している。
Specifically, the
このように、燃料電池11で燃料ガスと酸化剤ガスとの反応時に生じる熱を吸収する前の温度の低い冷却媒体が通流する冷却媒体流路10の上流部10cを、カソードセパレータ7bの厚み方向から見て、カソードセパレータ7bの周縁部の上部に設けることにより、該カソードセパレータ7bの周縁部の上部を、カソードセパレータ7bの中心部に比べてより温度が低くなるようにすることができる。
In this way, the
例えば、アノード4a及びカソード4bの面積が100cm2の燃料電池11における燃料ガス及び酸化剤供給用マニホールド孔23、21の露点を65℃となるように燃料ガスと酸化剤ガスを供給し、燃料電池スタック100を電流密度0.3A/cm2で運転させたとする。カソード4bからアノード4aに生成した水の10%が移動すると仮定すると、燃料ガス排出用マニホールド孔24の露点は85℃、酸化剤ガス排出用マニホールド孔22の露点は72℃まで上昇する。このような場合において、燃料電池スタック100のセパレータ7a、7bの熱伝導度等を考慮して、冷却媒体流路10の上流部10cに供給する冷却媒体の温度や流量を調整することにより、燃料ガス、又は酸化剤ガス排出用マニホールド孔24、22の露点よりもカソードセパレータ7bの周縁部の上部の温度を低くすることができる。
For example, the fuel gas and the oxidant gas are supplied so that the dew point of the fuel gas and oxidant supply manifold holes 23 and 21 in the
このため、ガスケット流路31及び第2酸化剤ガス流路9bから構成される流路を通流する水蒸気をより容易に凝縮することができる。また、カソード4bの上部では、カソード4bの下部に比べて、水素と酸素の反応による生成水が少ないため、高分子電解質膜1の周縁部のうち、上部が乾燥しやすいが、本実施の形態においては、冷却水流路10が上記のように構成されているため、高分子電解質膜1の周縁部の上部の乾燥をより抑制することができる。
For this reason, the water vapor | steam which flows through the flow path comprised from the
なお、冷却媒体流路10に供給する冷却媒体の温度や流量を調整することにより、ガスケット流路31及び第2酸化剤ガス流路9bで構成される流路で凝縮される水蒸気の量を調整することが好ましい。
The amount of water vapor condensed in the flow path constituted by the
また、ここでは、カソードセパレータ7bの周縁部に設けられた冷却媒体流路10の上流部10cは、複数の流路(ここでは、2つの流路10a、10b)に分岐した後、合流して冷却媒体流路の下流部に連通する構成としたが、合流せずに冷却媒体流路10の下流部に連通する構成としてもよい。
Here, the
(実施の形態3)
本発明の実施の形態3に係る燃料電池スタックは、基本的構成は、実施の形態2に係る燃料電池スタック100と同じであるが、カソードセパレータ7bの外面に配設された冷却媒体流路10の上流部10cの構成が、以下のように異なる。
(Embodiment 3)
The basic configuration of the fuel cell stack according to Embodiment 3 of the present invention is the same as that of the
[セパレータの構成]
図6は、本発明の実施の形態3に係る燃料電池スタックにおける燃料電池のカソードセパレータの外面形状を示す模式図である。なお、図6においては、カソードセパレータにおける上下方向を図における上下方向として表している。
[Composition of separator]
FIG. 6 is a schematic diagram showing the outer shape of the cathode separator of the fuel cell in the fuel cell stack according to Embodiment 3 of the present invention. In FIG. 6, the vertical direction of the cathode separator is represented as the vertical direction in the figure.
図6に示すように、本実施の形態3のカソードセパレータ7bにおける冷却媒体流路10の上流部10cは、分岐した流路10a、10bがカソード4bの外周全体を囲むように形成されている。具体的には、一方の分岐した流路10aは、カソード4bの外周に沿って、分岐点から第1の側部に向かって水平方向にある距離延び、そこから、下方にある距離延び、その到達点で折り返している。そして、流路10aは、その折り返し点から、カソード4bの外周に沿って、上方にある距離延び、そこから、第2の側部に向かって水平方向にある距離延び、その到達点から、下方にある距離延び、他方の流路10bと合流している。また、他方の流路10bは、カソード4bの外周に沿って、分岐点から、下方にある距離延び、そこから、第1の側部に向かって水平方向にある距離延び、その到達点で折り返している。そして、流路10bは、その折り返し点から、第2の側部に向かって水平方向にある距離延び、そこから、上方にある距離延び、その到達点から、第1の側部に向かって水平方向にある距離延び、流路10aと合流している。
As shown in FIG. 6, the
これにより、燃料電池11で燃料ガスと酸化剤ガスとの反応時に生じる熱を吸収する前の温度の低い冷却媒体が通流する冷却媒体流路10の上流部10cを、カソードセパレータ7bの厚み方向から見て、ガスケット流路31に対応する部分であるカソードセパレータ7bの周縁部の略全体に設けることにより、該カソードセパレータ7bの周縁部全体が、その中心部に比べてより温度が低くすることができる。このため、ガスケット流路31及び第2酸化剤ガス流路9bから構成される流路を通流する水蒸気をより容易に凝縮することができ、高分子電解質膜1の周縁部全体の乾燥をより抑制することができる。
As a result, the
なお、冷却媒体流路10に供給する冷却媒体の温度や流量を調整することにより、ガスケット流路31及び第2酸化剤ガス流路10bで構成される流路で凝縮される水蒸気の量を調整することが好ましい。また、ここでは、カソードセパレータ7bの周縁部に設けられた冷却媒体流路10の上流部10cは、複数の流路(ここでは、2つの流路10a、10b)に分岐した後、合流して冷却媒体流路の下流部に連通する構成としたが、合流せずに冷却媒体流路10の下流部に連通する構成としてもよい。
The amount of water vapor condensed in the flow path constituted by the
(実施の形態4)
本発明の実施の形態4に係る燃料電池スタックは、実施の形態1に係る燃料電池スタック100と基本的構成は同じであるが、カソードガスケット6b及びカソードセパレータ7bの構成が以下のように異なる。
(Embodiment 4)
The basic configuration of the fuel cell stack according to Embodiment 4 of the present invention is the same as that of the
[ガスケットの構成]
図7は、本発明の実施の形態4に係る燃料電池スタックにおける燃料電池のカソードガスケットの内面形状を示す模式図である。なお、図7においては、カソードガスケットにおける上下方向を図における上下方向として表している。
[Composition of gasket]
FIG. 7 is a schematic diagram showing the inner shape of the cathode gasket of the fuel cell in the fuel cell stack according to Embodiment 4 of the present invention. In addition, in FIG. 7, the up-down direction in the cathode gasket is represented as the up-down direction in the figure.
図7に示すように、本実施の形態4のカソードガスケット6bの内面には、1つの酸化剤ガス排出用マニホールド孔が設けられており、また、ガスケット流路31の流路31a、31bの下流端が、該1つの酸化剤ガス排出用マニホールド孔22に連通するように配設されている。
As shown in FIG. 7, one oxidant gas discharge manifold hole is provided on the inner surface of the
具体的には、酸化剤ガス排出用マニホールド孔22は、燃料ガス排出用マニホールド孔24の第2の側部側に設けられている。また、ガスケット流路31の流路31aは、流路31cの下流端から、カソードガスケット6bの中央開口(内周)に沿って(カソード4bの外周に沿って)、分岐点から第2の側部に向かって水平方向にある距離延び、そこから、上方にある距離延び、そこから、第1の側部に向かって水平方向にある距離延び、その到達点で折り返している。そして、流路31aは、折り返し点から、第2の側部に向かって水平方向にある距離延び、そこから、下方にある距離延び、その到達点から、酸化剤ガス排出用マニホールド孔22に到るように延びている。また、他方の分岐した流路31bは、カソードガスケット6bの中央開口(内周)に沿って(カソード4bの外周に沿って)、流路31cの下流端から第1の側部に向かって水平方向にある距離延び、そこから、上方にある距離延び、その到達点で折り返している。そして、流路31bは、その到達点から、下方にある距離延び、そこから、第2の側部に向かって水平方向にある距離延び、その到達点から、酸化剤ガス排出用マニホールド孔22に到るように延びている。
Specifically, the oxidant gas
なお、ガスケット流路31は、流路31a、31bに分岐するまでの流路は、酸化剤ガス流路9の第2酸化剤ガス流路9bと連通するように、厚み方向に貫通する貫通溝で形成されているが、流路31a、31bは、貫通しない溝で形成されている。
The
[セパレータの構成]
図8は、本発明の実施の形態4に係る燃料電池スタックにおける燃料電池のカソードセパレータの内面形状を示す模式図である。なお、図8においては、カソードセパレータにおける上下方向を図における上下方向として表している。
[Composition of separator]
FIG. 8 is a schematic diagram showing the inner shape of the cathode separator of the fuel cell in the fuel cell stack according to Embodiment 4 of the present invention. In FIG. 8, the vertical direction of the cathode separator is represented as the vertical direction in the figure.
図8に示すように、本実施の形態4のカソードセパレータ7bの内面には、1つの酸化剤ガス排出用マニホールド孔が設けられており、また、酸化剤ガス流路9の下流端を接続流路9の下流端としている。
As shown in FIG. 8, one oxidant gas discharge manifold hole is provided on the inner surface of the
具体的には、酸化剤ガス排出用マニホールド孔22は、燃料ガス排出用マニホールド孔24の第2の側部側に設けられている。また、酸化剤ガス流路9の接続流路9cは、カソードセパレータ7bの厚み方向から見て、カソードガス流路31の流路31cと重なるように形成されていて、流路31cと連通している。これにより、酸化剤ガス流路9を通流する酸化剤ガスは、接続流路9cと流路31cで構成される流路を経由してガスケット流路31の流路31a、31bを通流する。
Specifically, the oxidant gas
このように構成された実施の形態4に係る燃料電池スタックも、実施の形態1に係る燃料電池スタック100と同様の作用効果を奏する。
The fuel cell stack according to the fourth embodiment configured as described above also exhibits the same operational effects as the
なお、本実施の形態においては、カソードセパレータ7bの内面に第2酸化剤ガス流路9bを設けない構成としたが、これに限定されず、第2酸化剤ガス流路9bを設ける構成としてもよい。
In the present embodiment, the second oxidant
(実施の形態5)
本発明の実施の形態5に係る燃料電池スタックは、実施の形態4に係る燃料電池スタックと基本的構成は同じであるが、カソードガスケット6bにおけるガスケット流路31及びカソードセパレータ7bにおける酸化剤ガス流路9の構成が以下のように異なる。
(Embodiment 5)
The fuel cell stack according to Embodiment 5 of the present invention has the same basic configuration as the fuel cell stack according to Embodiment 4, but the oxidant gas flow in the
[ガスケットの構成]
図9は、本発明の実施の形態5に係る燃料電池スタックにおける燃料電池のカソードガスケットの内面形状を示す模式図である。なお、図9においては、カソードガスケットにおける上下方向を図における上下方向として表している。
[Composition of gasket]
FIG. 9 is a schematic diagram showing the inner shape of the cathode gasket of the fuel cell in the fuel cell stack according to Embodiment 5 of the present invention. In FIG. 9, the vertical direction of the cathode gasket is shown as the vertical direction in the figure.
図9に示すように、カソードガスケット6bの内面には、貫通溝からなる流路31c1に接続された溝状の流路31aと、貫通溝からなる流路31c2に接続された溝状の流路31bと、からなるガスケット流路31が配設されている。
As shown in FIG. 9, on the inner surface of the
流路31c1は、その上流端が燃料ガス排出用マニホールド孔23の下方に位置し、上方向に延びるように形成されており、その下流端が、流路31aの上流端に接続されている。流路31aは、その上流端から、カソードガスケット6bの中央開口(内周)に沿って(カソード4bの外周に沿って)、第2の側部に向かって水平方向にある距離延び、そこから、下方にある距離延び、その到達点から、酸化剤ガス排出用マニホールド孔22に到るように延び、その下流端は、酸化剤ガス排出用マニホールド孔22に接続されている。
The flow path 31c1 is formed so that its upstream end is positioned below the fuel gas
一方、流路31c2は、その上流端が酸化剤ガス排出用マニホールド孔21の下方に位置し、第1の側部に向かって水平方向に延びるように形成されており、その下流端が、流路31bの上流端に接続されている。流路31bは、その上流端から、カソードガスケット6bの中央開口(内周)に沿って(カソード4bの外周に沿って)、下方にある距離延び、そこから、第2の側部に向かって水平方向にある距離延び、その到達点から、酸化剤ガス排出用マニホールド孔22に到るように延び、その下流端は、酸化剤ガス排出用マニホールド孔22に接続されている。
On the other hand, the flow path 31c2 is formed so that its upstream end is positioned below the oxidant gas
[セパレータの構成]
図10は、本発明の実施の形態5に係る燃料電池スタックにおける燃料電池のカソードセパレータの内面形状を示す模式図である。なお、図10においては、カソードセパレータにおける上下方向を図における上下方向として表している。
[Composition of separator]
FIG. 10 is a schematic diagram showing the inner shape of the cathode separator of the fuel cell in the fuel cell stack according to Embodiment 5 of the present invention. In FIG. 10, the vertical direction of the cathode separator is represented as the vertical direction in the figure.
図10に示すように、カソードセパレータ7bの内面には、第1酸化剤ガス流路9aと接続流路9c1、9c2が配設されている。第1酸化剤ガス流路9aは、サーペンタイン状に形成されたサーペンタイン流路9a3と、サーペンタイン流路9a3の下流端から2つに分岐され、カソード4bの周縁部に沿うように形成された周縁流路9a1、9a2と、から構成されている。
As shown in FIG. 10, a first oxidant
具体的には、周縁流路9a1は、その上流端から、第2の側部に向かって水平方向にある距離延び、そこから、上方にある距離延び、そこから、第1の側部に向かって水平方向にある距離延び、その到達点から、カソード4bの外周に到るように、上方にある距離延びている。また、周縁流路9a2は、その上流端から、第1の側部に向かって水平方向にある距離延び、そこから、上方にある距離延び、その到達点から、カソード4bの外周に到るように、第1の側部に向かって水平方向にある距離延びている。
Specifically, the peripheral channel 9a1 extends from the upstream end thereof by a distance in the horizontal direction toward the second side portion, extends from there by an upper distance, and then extends from there to the first side portion. It extends a certain distance in the horizontal direction, and extends an upper distance so as to reach the outer periphery of the
また、接続流路9c1、9c2は、カソードセパレータ7bの厚み方向から見て、それぞれ、上述したガスケット流路31の流路31c1、31c2と重なり合うように形成され、ガスケット流路31に接合している。
Further, the connection flow paths 9c1 and 9c2 are formed so as to overlap the flow paths 31c1 and 31c2 of the
これにより、本実施の形態5に係る燃料電池スタックでは、第1酸化剤ガス流路9aの周縁流路9a1、9a2からカソード4bの周縁部に酸化剤ガスが供給されるので、接続流路9c1、9c2とガスケット流路31から構成される流路からだけでなく、該カソード4bの周縁部からも、高分子電解質膜1の周縁部に水分が供給される。換言すると、カソードセパレータ7bの厚み方向から見て、カソード4bの外周の内側と外側の両方から、高分子電解質膜1に水分が供給される。このため、高分子電解質膜1の周縁部の乾燥による劣化をより抑制することができる。
Thereby, in the fuel cell stack according to the fifth embodiment, the oxidant gas is supplied from the peripheral flow paths 9a1 and 9a2 of the first oxidant
(実施の形態6)
本発明の実施の形態6に係る燃料電池スタックは、実施の形態1に係る燃料電池スタック100と基本的構成は同じであるが、カソードガスケット6b及びカソードセパレータ7bの構成が以下のように異なる。
(Embodiment 6)
The basic configuration of the fuel cell stack according to Embodiment 6 of the present invention is the same as that of the
[ガスケットの構成]
図11は、本発明の実施の形態6に係る燃料電池スタックにおける燃料電池のカソードガスケットの内面形状を示す模式図である。なお、図11においては、カソードガスケットにおける上下方向を図における上下方向として表している。
[Composition of gasket]
FIG. 11 is a schematic diagram showing the inner shape of the cathode gasket of the fuel cell in the fuel cell stack according to Embodiment 6 of the present invention. In addition, in FIG. 11, the up-down direction in a cathode gasket is represented as the up-down direction in a figure.
図11に示すように、本実施の形態6のカソードガスケット6bの内面には、3つの酸化剤ガス排出用マニホールド孔22a、22b、22cが設けられており、酸化剤ガス排出用マニホールド孔22cは、燃料ガス排出用マニホールド孔24の第2の側部側に設けられている。また、酸化剤ガス供給用マニホールド孔21が、上下方向に長い長孔形状(短形の対抗する直線の2辺が半円の2辺に置換された形状)に形成されている。
As shown in FIG. 11, three oxidant gas
また、ガスケット流路31は、貫通溝からなる流路31a、31bから構成されており、流路31aの上流端は、酸化剤ガス排出用マニホールド孔22cの上方に位置していて、その下流端は、酸化剤ガス排出用マニホールド孔22aに接続されている。一方、流路31bの上流端は、燃料ガス排出用マニホールド孔24の下方に位置していて、その下流端は、酸化剤ガス排出用マニホールド孔22bに接続されている。
The
そして、流路31aは、その上流端から、第2の側部に向かって水平方向に延びるように形成されており、そこから、カソードガスケット6bの中央開口(内周)に沿って(カソード4bの外周に沿って)、上方向にある距離延び、そこから、第1の側部に向かって水平にある距離延び、その到達点から、酸化剤ガス排出用マニホールド孔22aに到るように延びている。また、流路31bは、その上流端から、下方向にある距離延び、そこから、カソードガスケット6bの中央開口(内周)に沿って(カソード4bの外周に沿って)、第1の側部に向かって水平方向にある距離延び、そこから、上方向にある距離延び、その到達点から、酸化剤ガス排出用マニホールド孔22bに到るように延びている。
The
[セパレータの構成]
図12は、本発明の実施の形態6に係る燃料電池スタックにおける燃料電池のカソードセパレータの内面形状を示す模式図である。なお、図12においては、カソードセパレータにおける上下方向を図における上下方向として表している。
[Composition of separator]
FIG. 12 is a schematic diagram showing the inner shape of the cathode separator of the fuel cell in the fuel cell stack according to Embodiment 6 of the present invention. In FIG. 12, the vertical direction of the cathode separator is shown as the vertical direction in the figure.
図12に示すように、本実施の形態6のカソードセパレータ7bの内面には、複数(ここでは、4つ)の溝状の酸化剤ガス流路91〜94が配設されている。酸化剤ガス流路91〜94の電極接触部である第1酸化剤ガス流路91a〜94aは、サーペンタイン状に、かつ、並走するように形成されている。
As shown in FIG. 12, a plurality (here, four) of groove-like oxidant
また、一対の最も外側に位置する酸化剤ガス流路91、94における電極接触部の下流の部分である第2酸化剤ガス流路91b、94bが、カソード4bの外周に沿って、かつ、該カソード4bの外周を囲むように形成されていて、カソードセパレータ7bの厚み方向から見て、ガスケット流路31と重なるように形成されていて、ガスケット流路31に接合されている。そして、第2酸化剤ガス流路91b、94bの下流端は、それぞれ、酸化剤ガス排出用マニホールド孔22a、22bに接続されている。一方、酸化剤ガス流路92、93の下流部である第2酸化剤ガス流路92b、93bは、酸化剤ガス排出用マニホールド孔22cに到るように形成されていて、その下流端が、酸化剤ガス排出用マニホールド孔22cに接続されている。
Further, second oxidant
なお、本実施の形態における酸化剤ガス流路91〜94は、通常の態様の酸化剤ガス流路の圧力損失と同じになるように形成されている。また、第2酸化剤ガス流路91b、94bは、第2酸化剤ガス流路91b、94b及びガスケット流路31で構成される流路の圧力損失が、第2酸化剤ガス流路91b、94b以外の第1酸化剤ガス流路91a等の流路の圧力損失と比べて変化しないように形成されている。ここでは、第2酸化剤ガス流路91b、94b及びガスケット流路31で構成される流路の断面積S4と、第2酸化剤ガス流路91b、94b以外の第1酸化剤ガス流路91a等の断面積S5と、が一致するように酸化剤ガス流路91〜94の溝幅や溝の深さ、並びにガスケット流路31の溝幅や溝の深さ(カソードガスケット6bの厚み)が調整されている。
In addition, the oxidant
このように酸化剤ガス流路が複数形成された実施の形態6に係る燃料電池スタックにおいても、実施の形態1に係る燃料電池スタック100と同様の作用効果を奏する。
Thus, the fuel cell stack according to Embodiment 6 in which a plurality of oxidant gas flow paths are formed also has the same effects as the
なお、本実施の形態においては、酸化剤ガス供給用マニホールド孔21を、上下方向に長い長孔形状に形成したが、これに限定されず、その形状は任意である。また、ガスケット流路31全体を厚み方向に貫通する貫通溝で構成したが、これに限定されず、例えば、流路31a、31bの上流端からある距離までの部分を貫通溝で形成し、それ以外の部分を溝で形成する構成としてもよい。また、ガスケット流路31をカソードガスケット6bの内面に溝状に形成して、その上流端を厚み方向に貫通する貫通孔によって第1酸化剤ガス流路91a、94aの下流端に連通させる構成としてもよい。さらに、酸化剤ガス流路91、94の第2酸化剤ガス流路91b、94bを設けない構成としてもよい。
In the present embodiment, the oxidant gas
(実施の形態7)
本発明の実施の形態7に係る燃料電池スタックは、実施の形態6に係る燃料電池スタック100と基本的構成は同じであるが、カソードセパレータ7bの構成が以下のように異なる。
(Embodiment 7)
The fuel cell stack according to Embodiment 7 of the present invention has the same basic configuration as the
[セパレータの構成]
図13は、本発明の実施の形態7に係る燃料電池スタックにおける燃料電池のカソードセパレータの内面形状を示す模式図である。なお、図13においては、カソードセパレータにおける上下方向を図における上下方向として表している。
[Composition of separator]
FIG. 13 is a schematic diagram showing the inner shape of the cathode separator of the fuel cell in the fuel cell stack according to Embodiment 7 of the present invention. In FIG. 13, the vertical direction of the cathode separator is represented as the vertical direction in the figure.
図13に示すように、本実施の形態7のカソードセパレータ7bの内面には、複数(ここでは、4つ)の溝状の酸化剤ガス流路91〜94が配設されており、酸化剤ガス流路91〜94における第1酸化剤ガス流路91a〜94aの途中(ここでは、第1酸化剤ガス流路91a〜94aの下流側)には、該第1酸化剤ガス流路91a〜94aを連通するように窪み部95が形成されている。
As shown in FIG. 13, a plurality of (here, four) groove-like oxidant
窪み部95は、カソードセパレータ7bの厚み方向から見て、略台形状に形成されており、その底面には、該底面から厚み方向に突出した多数の島状(ここでは略円柱状、より正確には、略真円柱形)の突起96が設けられている。突起96は、均等なピッチで複数(ここでは、12個)形成されている。なお、突起96は、ここでは、略円柱形により形成されているが、これに限定されず、略円柱形、略三角柱形及び略四角柱形であってもよい。また、ここでは、突起27の立設方向に垂直な輪切り断面が、略真円柱形としたが、これに限定されず、楕円柱形であってもよい。また、窪み部95は、第1酸化剤ガス流路91a〜94aと同じ深さに形成されている。
The
これにより、第1酸化剤ガス流路91a〜94aを通流する酸化剤ガスが、窪み部95で合流される。窪み部95で合流した酸化剤ガスは、窪み部95に島状に配置された複数の突起96により、その流れが乱され、これらのガスの混合が促進され、酸化剤ガスの圧力の均一化が図られる。そして、混合された酸化剤ガスは、窪み部95の下流端から第1酸化剤ガス流路91a〜94aに分流される。このため、酸化剤ガス流路91〜94を通流する酸化剤ガスの圧力損失の差を低減することができる。
As a result, the oxidant gas flowing through the first oxidant
このように構成された実施の形態7に係る燃料電池スタックにおいても、実施の形態1に係る燃料電池スタック100と同様の作用効果を奏する。
Also in the fuel cell stack according to Embodiment 7 configured as described above, the same operational effects as those of the
なお、本実施の形態においては、窪み部95及び突起96を第1酸化剤ガス流路91a〜94aの下流側(第2酸化剤ガス流路に近い側)に配置する構成としたが、これに限定されず、第1酸化剤ガス流路91a〜94aの上流側に配置してもよい。
In the present embodiment, the
(実施の形態8)
本発明の実施の形態8に係る燃料電池スタックは、実施の形態1に係る燃料電池スタック100と基本的構成は同じであるが、高分子電解質膜とガスケットの間にサブガスケットが配置されている点が異なる。
(Embodiment 8)
The fuel cell stack according to
[燃料電池スタックの構成]
図14は、本発明の実施の形態8に係る燃料電池スタックの概略構成を模式的に示す断面図である。なお、図14においては、一部を省略している。
[Configuration of fuel cell stack]
FIG. 14 is a cross-sectional view schematically showing a schematic configuration of the fuel cell stack according to
図14に示すように、本実施の形態8に係る燃料電池スタック100における燃料電池11では、高分子電解質膜1の周縁部を挟んで一対の断面形状が略矩形で環状のアノードサブガスケット13a及びカソードサブガスケット13bが配設されている。また、アノードガスケット6a及びカソードガスケット6bの周縁部には、燃料ガス供給用マニホールド孔等の各マニホールド孔が設けられている(図示せず)。
As shown in FIG. 14, in the
アノードサブガスケット13a及びカソードサブガスケット13bは、セル11の積層方向(カソードセパレータ7bの厚み方向)から見て、アノードガスケット6a及びカソードガスケット6bと同じ形状となるように形成されている。また、カソードサブガスケット13bには、厚み方向に貫通する貫通溝32が、セル11の積層方向から見て、ガスケット流路31と重なるように形成されており、該貫通溝32が、サブガスケット流路32を構成する。そして、このサブガスケット流路32は、ガスケット流路31に接合されている。
The
また、アノードサブガスケット13a及びカソードサブガスケット13bを構成する材料としては、優れたガスシール性と適度な剛性を有していれば、特に限定されず、例えば、PP(ポリプロピレン)、PET(ポリエチレンテレフタレート)、PPS(ポリフェニレンスルフィド)等の樹脂フィルム、PTFE(ポリテトラフルオロエチレン)等のフッ素系の合成樹脂フィルム、フッ素系合成樹脂シート等のゴム状シート(フッ素ゴムからなるシート等)、又は弾性樹脂と剛性樹脂との複合シート等が挙げられる。
The material constituting the
なお、本実施の形態においては、カソードガスケット6bにガスケット流路31を配設し、カソードサブガスケット13bにサブガスケット流路32を配設する構成としたが、これに限定されず、アノードガスケット6aにガスケット流路31を配設し、アノードサブガスケット13aにサブガスケット流路32を配設する構成としてもよく、また、アノードガスケット6a及びカソードガスケット6bの両方にガスケット流路31を配設し、アノードサブガスケット13a及びカソードサブガスケット13bの両方にサブガスケット流路32を配設する構成としてもよい。
In this embodiment, the
また、本実施の形態においては、サブガスケット流路32を厚み方向に貫通する貫通溝で構成したが、これに限定されず、サブガスケット流路32に酸化剤ガスが通流するように、例えば、その上流端からの一部を貫通溝で形成し、サブガスケット流路32の他の部分を厚み方向に貫通しない溝で形成する構成としてもよい。 Further, in the present embodiment, the subgasket channel 32 is configured by a through groove penetrating in the thickness direction. However, the present invention is not limited to this, so that an oxidizing gas flows through the subgasket channel 32, for example, A part from the upstream end may be formed as a through groove, and the other part of the subgasket channel 32 may be formed as a groove that does not penetrate in the thickness direction.
さらに、本実施の形態においては、第2酸化剤ガス流路9b、ガスケット流路31、及びサブガスケット流路32で構成される流路の圧力損失と、第1酸化剤ガス流路9aの圧力損失と、が一致するように構成されている。具体的には、ここでは、第2酸化剤ガス流路9b、ガスケット流路31、及びサブガスケット流路32で構成される流路の断面積S6と、第1酸化剤ガス流路9aの断面積S1と、が一致するように、第1及び第2酸化剤ガス流路9a、9bの溝幅や溝の深さ、ガスケット流路31の溝幅や溝の深さ(カソードガスケット6bの厚み)、及び、サブガスケット流路32の溝幅や溝の深さ(カソードサブガスケット13bの厚み)が調整されている。
Further, in the present embodiment, the pressure loss of the flow path constituted by the second oxidant
これにより、燃料電池スタック100を組み立てるときに、アノードサブガスケット13a及びカソードサブガスケット13bにより、高分子電解質膜1にかかる圧力を均一にすることができる。このため、高分子電解質膜1の破損を抑制することができる。また、第2酸化剤ガス流路9b、ガスケット流路31、及びサブガスケット流路32で構成される流路を通流する酸化剤ガスに含有されている水蒸気を凝縮し、凝縮した水を高分子電解質膜1の周縁部に供給することで、高分子電解質膜1の周縁部の乾燥を抑制することができる。
Thereby, when the
なお、上記実施の形態1〜8においては、カソードガスケット6bにガスケット流路31を設ける構成としたが、これに限定されず、アノードガスケット6aにガスケット流路31を設ける構成としてもよく、また、ガスケット流路31をアノードガスケット6a及びカソードガスケット6bの両方に設ける構成としてもよい。
In the first to eighth embodiments, the
また、上記実施の形態1〜8においては、燃料電池スタック100をいわゆる内部マニホールド型として構成したが、これに限定されず、いわゆる外部マニホールド型として構成してもよい。
Moreover, in the said Embodiment 1-8, although the
本発明の燃料電池及び燃料電池システムは、高分子電解質膜の乾燥による劣化を抑制し、高分子型固体電解質膜を用いた燃料電池、特に、定置型コジェネレーションシステムや電気自動車等に応用できるので、燃料電池等の分野で有用である。 The fuel cell and fuel cell system of the present invention can be applied to fuel cells using polymer solid electrolyte membranes, particularly stationary cogeneration systems, electric vehicles, etc., by suppressing deterioration due to drying of the polymer electrolyte membranes. It is useful in the field of fuel cells and the like.
1 高分子電解質膜(電解質層)
2a アノード触媒層
2b カソード触媒層
3a アノードガス拡散層
3b カソードガス拡散層
4a アノード
4b カソード
5 MEA(Membrane−Electrode−Assembly:電解質層−電極接合体)
6a アノードガスケット
6b カソードガスケット
7a アノードセパレータ
7b カソードセパレータ
8 燃料ガス流路
9 酸化剤ガス流路
9a 第1酸化剤ガス流路
9a1 周縁流路
9a2 周縁流路
9a3 サーペンタイン流路
9b 第2酸化剤ガス流路
9b1 流路
9b2 流路
9c 接続流路
9c1 接続流路
9c2 接続流路
10 冷却媒体流路
10a 上流部
11 燃料電池
13a アノードサブガスケット
13b カソードサブガスケット
21 酸化剤ガス供給用マニホールド孔
22 酸化剤ガス排出用マニホールド孔
22a 酸化剤ガス排出用マニホールド孔
22b 酸化剤ガス排出用マニホールド孔
22c 酸化剤ガス排出用マニホールド孔
23 燃料ガス供給用マニホールド孔
24 燃料ガス排出用マニホールド孔
25 冷却媒体供給用マニホールド孔
26 冷却媒体排出用マニホールド孔
31 ガスケット流路
31a 流路
31b 流路
31c 流路
31c1 流路
31c2 流路
32 サブガスケット流路
100 燃料電池スタック
200 燃料電池スタック
201 ガスシールパッキン(ガスケット)
202 流通溝
203 連絡孔
1 Polymer electrolyte membrane (electrolyte layer)
2a
202
Claims (12)
前記電解質層−電極接合体の前記電解質の周縁部を挟み、かつ、前記一対の電極のそれぞれを囲むように配設された一対の環状のガスケットと、
板状で、前記電解質層−電極接合体及び前記一対のガスケットを挟持するように配設され、前記電極と当接する一方の主面に反応ガスが流れる溝状の反応ガス流路が形成された一対の導電性のセパレータと、を備え、
前記一対のガスケットの少なくとも一方には、前記反応ガス流路に連通し、前記電解質層の周縁部に接触しながら前記反応ガスが流れるように構成されたガスケット流路が設けられている、燃料電池。 An electrolyte layer-electrode assembly having an electrolyte layer and a pair of electrodes sandwiching the inner part from the peripheral edge of the electrolyte layer;
A pair of annular gaskets arranged so as to sandwich a periphery of the electrolyte of the electrolyte layer-electrode assembly and surround each of the pair of electrodes;
A plate-like, reaction-fluid gas channel is formed so as to sandwich the electrolyte layer-electrode assembly and the pair of gaskets, and a reaction gas flows on one main surface in contact with the electrode. A pair of conductive separators,
A fuel cell in which at least one of the pair of gaskets is provided with a gasket channel that is communicated with the reaction gas channel and configured to allow the reaction gas to flow while being in contact with a peripheral portion of the electrolyte layer. .
前記冷却媒体流路の上流部は、少なくともその一部が前記セパレータの周縁部に設けられている、請求項1に記載の燃料電池。 On the other main surface of the separator that comes into contact with the gasket provided with the gasket flow path, a groove-shaped cooling medium flow path through which a cooling medium flows is formed.
The fuel cell according to claim 1, wherein at least a part of the upstream portion of the cooling medium flow path is provided at a peripheral edge portion of the separator.
該複数の反応ガス流路の前記電極と接触する部分(以下、電極接触部)は並走するように形成され、該複数の反応ガス流路のうち最も外側に位置する一対の反応ガス流路の前記電極接触部の下流の部分は、前記電極の外周に沿うように形成されている、請求項1に記載の燃料電池。 A plurality of the reaction gas flow paths are disposed on one main surface of the separator,
A portion of the plurality of reaction gas channels that contacts the electrode (hereinafter referred to as electrode contact portion) is formed to run in parallel, and a pair of reaction gas channels positioned on the outermost side among the plurality of reaction gas channels. The fuel cell according to claim 1, wherein a downstream portion of the electrode contact portion is formed along the outer periphery of the electrode.
前記サブガスケットには、前記セパレータの厚み方向において前記ガスケット流路に接合するようにサブガスケット流路が設けられている、請求項1に記載の燃料電池。 An annular subgasket is provided between the electrolyte layer-electrode assembly and the gasket,
The fuel cell according to claim 1, wherein the sub-gasket is provided with a sub-gasket channel so as to be joined to the gasket channel in a thickness direction of the separator.
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Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2010032439A1 (en) * | 2008-09-18 | 2010-03-25 | パナソニック株式会社 | Fuel cell and fuel cell stack provided with same |
WO2013042283A1 (en) * | 2011-09-21 | 2013-03-28 | パナソニック株式会社 | Polymer electrolyte fuel cell and fuel cell system provided with same |
US10763520B2 (en) | 2018-05-14 | 2020-09-01 | Hyundai Motor Company | Separator for fuel cell |
JP2021114395A (en) * | 2020-01-17 | 2021-08-05 | パナソニックIpマネジメント株式会社 | Fuel cell module and method for manufacturing the same |
-
2008
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Cited By (10)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2010032439A1 (en) * | 2008-09-18 | 2010-03-25 | パナソニック株式会社 | Fuel cell and fuel cell stack provided with same |
JP5518721B2 (en) * | 2008-09-18 | 2014-06-11 | パナソニック株式会社 | FUEL CELL AND FUEL CELL STACK HAVING THE SAME |
US9786929B2 (en) | 2008-09-18 | 2017-10-10 | Panasonic Intellectual Property Management Co., Ltd. | Fuel cell and fuel cell stack comprising the same |
WO2013042283A1 (en) * | 2011-09-21 | 2013-03-28 | パナソニック株式会社 | Polymer electrolyte fuel cell and fuel cell system provided with same |
CN103119767A (en) * | 2011-09-21 | 2013-05-22 | 松下电器产业株式会社 | Polymer electrolyte fuel cell and fuel cell system provided with same |
JP5204932B1 (en) * | 2011-09-21 | 2013-06-05 | パナソニック株式会社 | POLYMER ELECTROLYTE FUEL CELL AND FUEL CELL SYSTEM INCLUDING THE SAME |
US9287574B2 (en) | 2011-09-21 | 2016-03-15 | Panasonic Intellectual Property Management Co., Ltd. | Polymer electrolyte fuel cell and fuel cell system including the same |
US10763520B2 (en) | 2018-05-14 | 2020-09-01 | Hyundai Motor Company | Separator for fuel cell |
JP2021114395A (en) * | 2020-01-17 | 2021-08-05 | パナソニックIpマネジメント株式会社 | Fuel cell module and method for manufacturing the same |
JP7398636B2 (en) | 2020-01-17 | 2023-12-15 | パナソニックIpマネジメント株式会社 | Fuel cell module and its manufacturing method |
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