JP2000294261A - 燃料電池スタック - Google Patents
燃料電池スタックInfo
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- JP2000294261A JP2000294261A JP11103200A JP10320099A JP2000294261A JP 2000294261 A JP2000294261 A JP 2000294261A JP 11103200 A JP11103200 A JP 11103200A JP 10320099 A JP10320099 A JP 10320099A JP 2000294261 A JP2000294261 A JP 2000294261A
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- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
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- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Landscapes
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Abstract
溝の本数を絞るとともに、その絞り部分に乱流を惹起さ
せてガス拡散性の向上を図ることを可能にする。 【解決手段】第1セパレータ14の面14aには、燃料
ガス入口36aに連通する第1ガス流路溝44a〜44
fと燃料ガス出口36bに連通する第2ガス流路溝50
a〜50dとが設けられるとともに、前記第1ガス流路
溝44a〜44fと前記第2ガス流路溝50a〜50d
の合流部位に第1および第2集合部46、48が設けら
れている。
Description
側電極とカソード側電極で挟んで構成される単位燃料電
池セルを、セパレータを介して複数個積層した燃料電池
スタックに関する。
子イオン交換膜(陽イオン交換膜)からなる電解質の両
側にそれぞれアノード側電極およびカソード側電極を対
設して構成された単位燃料電池セルを、セパレータによ
って挟持することにより構成されている。この固体高分
子型燃料電池は、通常、単位燃料電池セルおよびセパレ
ータを所定数だけ積層することにより、燃料電池スタッ
クとして使用されている。
極に供給された燃料ガス、例えば、水素ガスは、触媒電
極上で水素イオン化され、適度に加湿された電解質を介
してカソード側電極側へと移動する。その間に生じた電
子が外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして
利用される。カソード側電極には、酸化剤ガス、例え
ば、酸素ガスあるいは空気が供給されているために、こ
のカソード側電極において、前記水素イオン、前記電子
および酸素ガスが反応して水が生成される。
側電極にそれぞれ燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給する
ために、通常、触媒電極層(電極面)に導電性を有する
多孔質層、例えば、多孔質カーボンペーパがセパレータ
により挟持されるとともに、各セパレータの互いに対向
する面には、均一な幅寸法に設定された1本または複数
本のガス流路が設けられている。
応によって生成された水分が、液体(水)の状態で存在
することがある。この水が多孔質層に蓄積されると、燃
料ガスおよび酸化剤ガスの触媒電極層への拡散性が低下
してしまい、セル性能が著しく悪くなるおそれがある。
号公報に開示されているように、アノード極に燃料を供
給する燃料流路を有した燃料配流板と、カソード極に酸
化剤を供給する酸化剤流路を有した酸化剤配流板とを具
備し、前記酸化剤配流板の酸化剤流路の深さあるいは幅
のうち、少なくともいずれか一方を酸化剤の上流流路域
から下流流路域に沿って徐々に小さくした燃料電池が知
られている。
よび酸化剤ガスをそれぞれ電極面に十分に供給するため
に、ガス流路がセパレータの面方向に蛇行して、あるい
は周回して設けられている。このため、ガス流路がセパ
レータの面内で相当に長尺化しており、上記の従来技術
では、酸化剤流路の上流流路域の深さが大きくなって前
記セパレータ自体が相当に肉厚なものとなってしまう。
これにより、燃料電池全体の小型化が容易に遂行されな
いという問題が指摘されている。しかも、ガス流路の上
流から下流に向かって深さを徐々に小さくする加工作業
が、極めて煩雑なものとなるという問題がある。
り、良好なガス拡散性および排水性を確保するととも
に、有効に小型化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。
燃料電池スタックでは、セパレータの面内に燃料ガスま
たは酸化剤ガスの少なくともいずれかを含む流体を流す
流体用通路を設けるとともに、この流体用通路は、ガス
入口側からガス出口に向かって溝本数が減少する第1お
よび第2ガス流路溝を備え、複数本の前記第1および第
2ガス流路溝が一体的に合流する集合部が設けられてい
る。このため、セパレータの面内で流体が消費される
際、第1ガス流路溝から第2ガス流路溝に溝本数が減少
することにより、ガス出口側の単位面積当たりの反応分
子数がガス入口側に比べて減少することがなく、電極面
内での反応の均一化を図ることができる。
溝の合流部位に集合部が設けられている。従って、集合
部で流体に乱流が惹起され、電極面に対する燃料ガスお
よび/または酸化剤ガスのガス拡散性を向上させること
が可能になる。
された燃料ガスおよび/または酸化剤ガスを集合部で合
流させた後、複数本の第2ガス流路溝に分配している。
このため、複数本の第2ガス流路溝間のガスの分配が均
一に行われる。
は、第2ガス流路溝が2本以上に設定されているため、
一方の第2ガス流路溝が生成水の結露等により閉塞して
も、別の第2ガス流路溝に流体を流すことができる。こ
れにより、セパレータの面内でガスの供給不足による濃
度過電圧の増加を防止することができ、セル電圧を安定
して得ることが可能になる。
ックでは、第1ガス流路溝と第2ガス流路溝とが集合部
を介して流れ方向を反転させている。このため、セパレ
ータの面内には、発電面に対して隙間なく流体用通路を
配置することができ、発電性能を有効に維持することが
可能になる。
に係る燃料電池スタック10の要部分解斜視図であり、
図2は、前記燃料電池スタック10の概略縦断面説明図
である。
ル12と、この単位燃料電池セル12を挟持する第1お
よび第2セパレータ14、16とを備え、必要に応じて
これらが複数組だけ積層されている。燃料電池スタック
10は、全体として直方体状を有しており、例えば、短
辺方向(矢印A方向)が重力方向に指向するとともに、
長辺方向(矢印B方向)が水平方向に指向して配置され
る。
質膜18と、この電解質膜18を挟んで配設されるアノ
ード側電極20およびカソード側電極22とを有すると
ともに、前記アノード側電極20および前記カソード側
電極22には、例えば、多孔質層である多孔質カーボン
ペーパ等からなる第1および第2ガス拡散層24、26
が配設される。
よび第2ガスケット28、30が設けられ、前記第1ガ
スケット28は、アノード側電極20および第1ガス拡
散層24を収納するための大きな開口部32を有する一
方、前記第2ガスケット30は、カソード側電極22お
よび第2ガス拡散層26を収納するための大きな開口部
34を有する。単位燃料電池セル12と第1および第2
ガスケット28、30とが、第1および第2セパレータ
14、16によって挟持される。
ータ14は、アノード側電極20に対向する面14aお
よび反対側の面14bが長方形状に設定されており、例
えば、長辺35aが水平方向に指向するとともに、短辺
35bが重力方向に指向して配置される。長辺35aと
短辺35bとの比は、例えば、1.5〜3:1程度に設
定されている。
縁部上部側には、水素ガス等の燃料ガスを通過させるた
めの燃料ガス入口36aと、酸素ガスまたは空気である
酸化剤ガスを通過させるための酸化剤ガス入口38aと
が設けられる。第1セパレータ14の短辺35b側の両
端縁部略中央側には、純水やエチレングリコールやオイ
ル等の冷却媒体を通過させるための冷却媒体入口40a
および冷却媒体出口40bが設けられるとともに、前記
第1セパレータ14の短辺35b側の両端縁部下部側に
は、燃料ガス出口36bと酸化剤ガス出口38bとが燃
料ガス入口36aおよび酸化剤ガス入口38aとは対角
の位置に設けられている。
ガス入口36aと燃料ガス出口36bとに連通する燃料
ガス流路(流体用通路)42が形成される。燃料ガス流
路42は、複数本、例えば、6本(2m本)の第1ガス
流路溝44a〜44fを備えており、前記第1ガス流路
溝44a〜44fの一端側が燃料ガス入口36aに連通
する。
ス入口36a側から酸化剤ガス入口38a側に向かって
水平方向(矢印B方向)に延在した後、下方向(矢印A
方向)に屈曲し、さらに冷却媒体入口40a側から冷却
媒体出口40b側に向かって水平方向に延在する。冷却
媒体出口40bの近傍では3本(m本)の第1ガス流路
溝44a〜44cが第1集合部46に合流するととも
に、残り3本(m本)の第1ガス流路溝44d〜44f
が第2集合部48に合流する。
れぞれ2本(n本)の第2ガス流路溝50a、50bお
よび50c、50dが連通し、前記第2ガス流路溝50
a〜50dが水平方向に延在して燃料ガス出口36bに
連通する。第1および第2集合部46、48の流路断面
積は、それぞれ第2ガス流路溝50a、50bおよび5
0c、50dの合計流路断面積と同等に設定されてい
る。
4aとは反対側の面14bには、冷却媒体入口40aと
冷却媒体出口40bとに連通して冷却媒体流路(流体用
通路)52a〜52dが設けられる。冷却媒体流路52
a〜52dは、冷却媒体入口40aおよび冷却媒体出口
40bに連通するそれぞれ1本の主流路溝54a、54
bと、前記主流路溝54a、54b間に設けられる複数
本、例えば、4本の分岐流路溝56とを備える。
長方形状に形成されており、この第2セパレータ16の
短辺側の両端縁部上部側には、燃料ガス入口58aおよ
び酸化剤ガス入口60aが貫通形成されるとともに、そ
の両端縁部略中央部には、冷却媒体入口62aおよび冷
却媒体出口62bが貫通形成される。第2セパレータ1
6の短辺側の両端縁部下部側には、燃料ガス出口58b
および酸化剤ガス出口60bが燃料ガス入口58aおよ
び酸化剤ガス入口60aと対角位置になるように貫通形
成されている。
に対向する面16aには、図2に示すように、酸化剤ガ
ス入口60aと酸化剤ガス出口60bとを連通する酸化
剤ガス流路(流体用通路)64が形成される。酸化剤ガ
ス流路64では、燃料ガス流路42と同様に、第1ガス
流路溝66a〜66fと第2ガス流路溝68a〜68d
とが図示しない第1および第2集合部を介して連通形成
されており、その詳細な説明は省略する。
の面16bには、図1に示すように、冷却媒体入口62
aと冷却媒体出口62bとを連通する冷却媒体流路70
a〜70dが形成される。冷却媒体流路70a〜70d
は、第1セパレータ14に設けられている冷却媒体流路
52a〜52dと同様に構成されており、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。
る燃料電池スタック10の動作について、以下に説明す
る。
(例えば、炭化水素を改質した水素を含むガス)が供給
されるとともに、酸化剤ガスとして空気(または酸素ガ
ス)が供給され、この燃料ガスが第1セパレータ14の
燃料ガス入口36aから燃料ガス流路42に導入され
る。図3に示すように、燃料ガス流路42に供給された
燃料ガスは、第1ガス流路溝44a〜44fに導入され
て第1セパレータ14の面14aの長辺方向(矢印B方
向)に沿って蛇行しながら重力方向に移動する。
ス拡散層24を通って単位燃料電池セル12のアノード
側電極20に供給される。そして、未使用の燃料ガス
は、第1ガス流路溝44a〜44fを通って第1および
第2集合部46、48に一旦導入された後、第2ガス流
路溝50a〜50dに分配されて矢印B方向に移動しな
がらアノード側電極20に供給される一方、残余の燃料
ガスが燃料ガス出口36bから排出される。
入口36aに6本(2m本)の第1ガス流路溝44a〜
44fが連通し、第1ガス流路溝44a〜44fがその
途上で4本(2n本)の第2ガス流路溝50a〜50d
に連通した後、燃料ガス出口36bに連通している。従
って、第1セパレータ14の面14a内において、燃料
ガス入口36aから燃料ガス出口36bに向かって溝本
数が削減され、ガス消費による単位面積当たりの分子数
の減少を阻止するとともに、前記燃料ガス出口36b側
のガス流速を増加させることができる。このため、燃料
ガス出口36b近傍に発生する反応生成水をガス流速の
増加によって有効に前記燃料ガス出口36bに排出させ
ることが可能になり、排水性の向上を図ることができ
る。
2ガス流路溝50a〜50dとの合流部位に、第1およ
び第2集合部46、48が設けられている。これによ
り、第1ガス流路溝44a〜44cおよび44d〜44
fに沿って供給される燃料ガスは、一旦、第1および第
2集合部46、48に導入されるため、前記第1および
第2集合部46、48でガスの乱流が惹起され、燃料ガ
ス中の水素ガスをアノード側電極20に対して有効に拡
散供給することが可能になるという効果が得られる。し
かも、3本の第1ガス流路溝44a〜44cから排出さ
れた燃料ガスを第1集合部46で合流させた後、2本の
第2ガス流路溝50a、50bに分配している。このた
め、2本の第2ガス流路溝50a、50b間の燃料ガス
の分配が均一に行われるという利点がある。なお、他の
2本の第2ガス流路溝50c、50dにおいても、同様
である。
には、それぞれ2本ずつの流路溝(第2ガス流路溝50
a、50bと50c、54d)が連通している。従っ
て、一方の流路溝が生成水の結露等により閉塞したとし
ても、他の流路溝を介して燃料ガスの円滑な流れが許容
される。これにより、第1セパレータ14の面14a内
において、ガス供給不足による濃度過電圧の増加を防止
することができ、燃料電池スタック10を安定して運転
することが可能になるという利点がある。
の流路断面積は、分配部である第2ガス流路溝50a、
50bおよび50c、50dのそれぞれの合計流路断面
積と同等に設定されている。このため、第1および第2
集合部46、48から第2ガス流路溝50a〜50dに
燃料ガスを円滑に送り出すことが可能になる。
fと第2ガス流路溝50a〜50dとは、第1および第
2集合部46、48を介して流れ方向が反転されてい
る。従って、第1セパレータ14の面14a内におい
て、発電面に対して隙間なく流路を配置することができ
るという効果がある。
剤ガス入口60aから酸化剤ガス流路64に供給された
空気が、面16aに沿って水平方向に蛇行しながら重力
方向に移動する。その際、燃料ガス流路42に供給され
た燃料ガスと同様に、空気中の酸素ガスが第2ガス拡散
層26からカソード側電極22に供給される一方、未使
用の空気が酸化剤ガス出口60bから排出される。
が供給されており、この冷却媒体は、第1および第2セ
パレータ14、16の冷却媒体入口40a、62aに供
給される。図4に示すように、第1セパレータ14の冷
却媒体入口40aに供給された冷却媒体は、冷却媒体流
路52a〜52dを構成する各主流路溝54aに導入さ
れ、前記主流路溝54aに沿って上方向、水平方向およ
び下方向に向かって流れる。冷却媒体は、それぞれの主
流路溝54aから分岐された複数の分岐流路溝56に導
入され、前記分岐流路溝56に沿って面14b内の略全
面にわたり水平方向に流れた後、前記分岐流路溝56が
合流する主流路溝54bを通って冷却媒体出口40bか
ら排出される。
16の冷却媒体入口62aに供給された冷却媒体は、冷
却媒体流路70a〜70dを通り、面16bの略全面に
わたって直線的に移動した後、冷却媒体出口62bから
排出される。
料電池スタックを構成する第1セパレータ80の一方の
面の正面説明図であり、図6は、本発明の第3の実施形
態に係る燃料電池スタックを構成する第1セパレータ9
0の一方の面の正面説明図である。なお、上述した第1
の実施形態に係る燃料電池スタック10を構成する第1
セパレータ14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。
第1セパレータ80の面80aには、燃料ガス入口36
aに連通する第1ガス流路溝44a〜44fと、燃料ガ
ス出口36bに連通する第2ガス流路溝50a〜50d
とが設けられるとともに、前記第1ガス流路溝44a〜
44fと前記第2ガス流路溝50a〜50dとの合流部
位に第1および第2集合部82、84が形成されてい
る。
が連通する部位から第1ガス流路溝44bおよび44a
が連通する部位に向かって(下方向に向かって)徐々に
流路断面積が増加する第1三角形状部86を有し、この
第1三角形状部86の下部側には、第2ガス流路溝50
a、50bに向かうに従って流路断面積が徐々に減少す
る第2三角形状部88が設けられている。なお、第2集
合部84は、上記した第1集合部82と同様に構成され
ており、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。
では、第1ガス流路溝44a〜44fに供給された燃料
ガスが第1および第2集合部82、84に導入される
際、前記第1および第2集合部82、84に合流する燃
料ガスが増加するに従って流路断面積が増加する。一
方、第1および第2集合部82、84から第2ガス流路
溝50a〜50dに燃料ガスが分配されるに従ってこの
第1および第2集合部82、84の流路断面積が減少し
ている。
44a〜44fから第1および第2集合部82、84に
均等かつ円滑に集合するとともに、この第1および第2
集合部82、84から第2ガス流路溝50a〜50dに
円滑かつ均等に分配される。このため、燃料ガスの流通
が効率的に遂行されるという効果が得られる。
第1セパレータ90の面90aには、第1ガス流路溝4
4a〜44fと第2ガス流路溝50a〜50dの合流部
位に対応して第1および第2集合部92、94が設けら
れている。第1および第2集合部92、94は略三角形
状を有しており、第1ガス流路溝44a〜44fが合流
するに従って(下方に向かって)流路断面積が増加して
いる。
が第1ガス流路溝44a〜44fを通って第1および第
2集合部92、94に円滑かつ均等に合流される等、第
2の実施形態と同様の効果が得られる。
燃料ガス流路42を構成する第1ガス流路溝44a〜4
4fと第2ガス流路溝50a〜50dとが流れ方向を反
転させるように構成されているが、図7および図8に示
すように、同一の流れ方向を有する燃料ガス流路10
0、110を用いてもよい。
ように、第1ガス流路溝102a〜102cと第2ガス
流路溝104a、104bとが集合部106で合流して
いる。この集合部106は、第1ガス流路溝102a〜
102cを一旦合流させた後に同一の流れ方向に向かっ
て両側が幅狭となり、第2ガス流路溝104a、104
bに燃料ガスを分配するように構成されている。
は、第1ガス流路溝112a〜112cと第2ガス流路
溝114a、114bとの合流部位に集合部116が設
けられるとともに、前記第1ガス流路溝112b、11
2cと前記第2ガス流路溝114a、114bとが同一
直線上に配置されている。
0、110では、それぞれ3本(m本)の第1ガス流路
溝102a〜102cおよび112a〜112cがそれ
ぞれ2本(n本)の第2ガス流路溝104a、104b
および114a、114bに絞られる際、一旦、単一の
集合部106、116に集合される。このため、燃料ガ
スに乱流を発生させることができ、電極面への反応ガス
の拡散性を有効に向上させることが可能になる。しか
も、それぞれ3本の第1ガス流路溝102a〜102
c、112a〜112cから排出された燃料ガスを集合
部106、116で合流させた後、それぞれ2本の第2
ガス流路溝104a、104b、114a、114bに
分配している。このため、それぞれ2本の第2ガス流路
溝104a、104b、114a、114b間の燃料ガ
スの分配が均一に行われるという利点がある。
2本の流路溝に絞る場合について説明したが、セパレー
タ面内で3本から2本への絞りを二段階に行う場合があ
る。これを、図9を用いて説明すると、入口側にそれぞ
れ第1ガス流路溝120a〜120iが設けられ、前記
第1ガス流路溝120a〜120cが第2ガス流路溝1
22a、122bに絞られ、前記第1ガス流路溝120
d〜120fが第2ガス流路溝122c、122dに絞
られ、前記第1ガス流路溝120g〜120iが第2ガ
ス流路溝122e、122fに絞られる。
cが第3ガス流路溝124a、124bに絞られるとと
もに、第2ガス流路溝122d〜122fが第3ガス流
路溝124c、124dに絞られる。
他、4本、3本および2本に絞る方法や、6本、4本お
よび3本に絞る方法等、種々の絞り方が採用される。こ
れにより、セパレータ面内での圧損を自由に調整するこ
とが可能になり、水の排出性やスタック内の流体分配の
設計自由度が向上することになる。
料ガスおよび/または酸化剤ガスを含む流体を流す流体
用通路が、ガス入口側にm本の第1ガス流路溝を有しか
つガス出口側にn本(m>n)の第2ガス流路溝を有
し、前記第1および第2ガス流路溝全体の合流部位に集
合部が設けられている。このため、ガス入口側からガス
出口側に向かって流れる流体が消費される際にガス流速
が低下することを有効に阻止するとともに、集合部でガ
ス乱流が惹起されて電極面へのガス拡散性を向上させる
ことができる。しかも、流速の低下が阻止されるため、
水の排出性が有効に向上することになり、電極反応面で
の水の凝結による発電性能の低下を防止することができ
る。さらに、複数本の第1ガス流路溝から排出された燃
料ガスおよび/または酸化剤ガスを集合部で合流させた
後、複数本の第2ガス流路溝に分配するようにしたた
め、前記複数本の第2ガス流路溝間のガスの分配が均一
に行われる。
クの要部分解斜視図である。
る。
タの一方の面の正面説明図である。
ある。
クを構成する第1セパレータの一方の面の正面説明図で
ある。
クを構成する第1セパレータの一方の面の正面説明図で
ある。
部説明図である。
の一部説明図である。
明図である。
池セル 14、16…セパレータ 14a、14b、16a、16b、80a、90a…面 18…電解質膜 20…アノード側
電極 22…カソード側電極 24、26…拡散
層 36a、58a…燃料ガス入口 36b、58b…
燃料ガス出口 38a、60a…酸化剤ガス入口 38b、60b…
酸化剤ガス出口 40a、62a、…冷却媒体入口 40b、62b…
冷却媒体出口 42、100、110…燃料ガス流路 44a〜44f、50a〜50d、66a〜66f、6
8a〜68d、102a、102b、112a〜112
c、114a、114b…ガス流路溝 46、48、82、84、92、94、106、116
…集合部 52a〜52d、70a〜70d…冷却媒体流路 64…酸化剤ガス流路 80、90…セパレータ
Claims (3)
- 【請求項1】電解質をアノード側電極とカソード側電極
で挟んで構成される単位燃料電池セルを、セパレータを
介して複数個積層した燃料電池スタックであって、 前記セパレータの面内には、前記アノード側電極に供給
される燃料ガスまたは前記カソード側電極に供給される
酸化剤ガスのうち、少なくともいずれか一方を含む流体
を流す流体用通路が設けられるとともに、 前記流体用通路は、ガス入口側に形成されるm本(mは
自然数)の第1ガス流路溝と、 ガス出口側に形成されるn本(nは自然数、m>n)の
第2ガス流路溝と、 前記第1ガス流路溝と前記第2ガス流路溝との合流部位
に設けられ、m本の該第1ガス流路溝とn本の該第2ガ
ス流路溝とを一体的に連通する集合部と、 を備えることを特徴とする燃料電池スタック。 - 【請求項2】請求項1記載の燃料電池スタックにおい
て、前記第2ガス流路溝は、2本以上に設定されること
を特徴とする燃料電池スタック。 - 【請求項3】請求項1または2記載の燃料電池スタック
において、前記第1ガス流路溝と前記第2ガス流路溝と
は、前記集合部を介して流れ方向が反転されることを特
徴とする燃料電池スタック。
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