JP2004192985A

JP2004192985A - Separator for fuel cell, and fuel cell using it

Info

Publication number: JP2004192985A
Application number: JP2002360439A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Kanai; 剛金井
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2002-12-12
Filing date: 2002-12-12
Publication date: 2004-07-08

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To improve the total power generation efficiency of a fuel cell by allowing oxidizer gas to be efficiently introduced. <P>SOLUTION: The separator for a fuel cell has a fuel gas passage on one-side surface, and an oxidizer gas passage on the other-side surface. The oxidizer gas passage is reduced in passage resistance by expanding a passage cross-sectional area on the entrance side of the oxidizer gas. Specifically, a plurality of grooves are arranged and formed as the oxidizer gas passages in parallel with one another by interlaying ribs, and the respective ribs are so formed as to gradually reduce their widths on the entrance side of the oxidizer gas. The bottom surface of each groove for the oxidizer gas passage is formed into a tilting surface directed toward the oxidizer gas entrance on the oxidizer gas entrance side. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、酸化剤ガス流路が形成された燃料電池用セパレータに関するものであり、さらには、これを用いた燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池は、例えば水素ガス（燃料ガス）と空気に含まれる酸素（酸化剤ガス）を電気化学的に反応させることにより発電を行う発電素子である。燃料電池は、発電により生成される生成物が水であることから環境を汚染することがない発電素子として近年注目されており、例えば自動車を駆動するための駆動電源として使用する試みが行われている。
【０００３】
さらに、上述の自動車駆動用の駆動電源に止まらず、例えばノート型パソコン、携帯電話及びＰＤＡなどの携帯型電子機器の駆動電源としての燃料電池の開発も活発に行われている。このような燃料電池においては、所要の電力を安定して出力できるとともに、携帯可能なサイズ及び重量とされることが重要となり、このような要求に対応するべく各種技術開発が盛んに行われている。
【０００４】
燃料電池は、電解質の違い等により様々なタイプのものに分類されるが、代表的なものに、電解質に固体高分子電解質を用いた燃料電池が知られている。固体高分子電解質型燃料電池は、低コスト化が可能で、小型化、軽量化も容易であり、電池性能の点でも高い出力密度を有することから、例えば上記の用途に有望である。
【０００５】
ところで、上述の如き燃料電池では、燃料ガスである水素ガスや酸化剤ガスである空気を燃料極や酸化剤極に如何にして効率的に供給するかが燃料電池の総合発電効率を向上する上で重要である。ここで、燃料ガスである水素は、通常、高圧ガスタンクや水素吸蔵カートリッジ等から加圧供給されることから、その供給方法が問題になることはない。一方、酸化剤ガスである空気は、例えばファン等を用いて酸化剤ガス流路に送り込む必要があり、その供給方法に改善の余地を残している。
【０００６】
例えば、酸化剤ガス供給用の補機であるファンによって空気を燃料電池スタックに送り込む場合、効率的な供給を実現するためには、送風を強くすればよいものと考えられるが、この場合には、ファンを駆動するために大電力を要することになる。通常、酸化剤ガス供給用の補機であるファンも燃料電池の電力で駆動しており、ファンによって大電力が消費されることは、燃料電池の総合的な発電効率を考えたときには好ましいものではない。また、送風能力の大きなファンは、必然的に大型化し、結果としてこれを組み込んだ燃料電池の大型化を招き、燃料電池の体積出力密度を低下することになる。さらに、送風の風量を増すためには、ファンの回転数を上げる必要があるが、これに伴いファンから発生する騒音も問題になる。
【０００７】
酸化剤ガスである空気を効率的に供給する技術としては、特許文献１記載の技術や特許文献２記載の技術等が知られているが、特殊な導入路が必要であったり、形状に制約がある等、いずれも十分とは言えず、燃料電池の小型化を考えたときに、さらなる改良が望まれる。
【０００８】
【特許文献１】
特開２００１−３１３０６１号公報
【０００９】
【特許文献２】
特開２０００−３２３１５５号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、このような従来の実情に鑑みて提案されたものであり、酸化剤ガスを効率的に取り込むことができ、燃料電池の総合発電効率を向上することが可能な燃料電池用セパレータを提供し、さらには発電効率に優れた燃料電池を提供することを目的とする。また、本発明は、大型化を招くことがなく、しかも静音運転が可能な燃料電池用セパレータ及び燃料電池を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上述の目的を達成するために、本発明の燃料電池用セパレータは、一方の面の燃料ガス流路を有するとともに、他方の面に酸化剤ガス流路を有し、上記酸化剤ガス流路は、酸化剤ガスの入口側において流路断面積が拡大され流路抵抗が低減されていることを特徴とするものである。
【００１２】
また、本発明の燃料電池は、イオン伝導性を有するイオン伝導体と当該イオン伝導体を挟んで対峙する電極とを備える接合体と、上記接合体を挟装するセパレータとを有するとともに、これら接合体とセパレータとが積層されたスタック構造を有し、上記セパレータは、一方の面の燃料ガス流路を有するとともに、他方の面に酸化剤ガス流路を有し、上記酸化剤ガス流路は、酸化剤ガスの入口側において流路断面積が拡大され流路抵抗が低減されていることを特徴とする。
【００１３】
本発明の燃料電池用セパレータでは、酸化剤ガス流路において、酸化剤ガスの入口側での流路断面積が拡大され流路抵抗が低減されているので、酸化剤ガス（空気）を効率的に取り入れることができる。したがって、酸化剤ガス供給用の補機（例えばファン）の駆動電力を抑えても酸化剤ガスが効率的に酸化剤極に供給される。また、酸化剤ガス供給用の補機を大型化する必要もなく、静音運転が実現される。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を適用した燃料電池用セパレータ及び燃料電池について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１５】
図１は、燃料電池の発電部分を分解して示すものである。通常、燃料電池はスタック構造を有し、このスタック構造は、固体高分子電解質膜からなる電解質膜１と、この電解質膜を挟持するように電解質膜の両面に配設される二つの電極２，３（燃料極と酸化剤極）と、セル間の隔壁となるセパレータ４とを積層することにより構成される。
【００１６】
ここで、電解質膜１には、高エネルギー密度化、低コスト化、軽量化等の要求を考慮して、例えば固体高分子電解質膜が用いられる。固体高分子電解質膜としては、例えばスルホン酸系の固体高分子電解質膜を用いることができる。また、電極２，３には、例えば発電反応を促進するための触媒が担持された電極が用いられる。
【００１７】
上記電解質膜１は、電極２，３により挟み込まれ、これら電解質膜１と電極２，３とからなる接合体を２枚のセパレータ４で挟み込むことにより発電セル（単位素子）が構成される。
【００１８】
これら電極２，３のうち燃料極には、燃料である水素が供給され、供給された水素が水素イオンと電子とに解離され、水素イオンは電解質を通り、電子は外部回路を通って電力を発生させ、酸化剤極にそれぞれ移動する。酸化剤極には、酸化剤である酸素（空気）が供給され、供給された空気中の酸素と上記水素イオン及び電子が反応して水が生成する。
【００１９】
セパレータ４は、基本的には各セル間の隔壁としての機能を有するものであるが、その他、集電体としての機能、燃料ガスの流路、空気の流路としての機能も有する。したがって、これらのガスを透過しない緻密な材料により形成されている。
【００２０】
上記セパレータ４の上記電極２，３と接する面には、それぞれ燃料である水素を流すための燃料ガス流路、及び酸化剤ガスである空気を流すための酸化剤ガス流路が形成されている。図２乃至図５に、それぞれセパレータ４の電極２あるいは電極３と接する面の平面形状を示す。
【００２１】
図２は、セパレータ４に形成された燃料ガス流路５を示すものである。この燃料ガス流路５は、いわゆるミアンダ状に蛇行形成される溝部からなり、この燃料ガス流路５に水素ガスを供給することで、各発電セルの燃料極のほぼ全面に水素ガスが供給されることになる。
【００２２】
各セパレータ４には、水素ガスの入口となる燃料供給孔６及び燃料極で水素が消費された後の燃料排ガスの出口となる燃料排出孔７がセパレータ４を厚さ方向に貫通する形で形成されており、上記燃料ガス流路５の一方の端部は引き込み口８を介して燃料供給孔６と接続され、他方の端部は吐き出し口９を介して燃料排出孔７と接続されている。上記燃料供給孔６と燃料排出孔７は、複数のセパレータ４を重ね合わせたときに互いに連通し、それぞれ燃料供給路、燃料排出路を構成する。
【００２３】
ここで、例えば燃料ガス流路５に水が凝縮し、これが蓄積されると、燃料ガスの安定供給が難しくなり、また燃料極の発電面を水が覆って反応を抑制し、発電を安定して継続することが困難になる虞れもある。そこで、本実施形態では、上記燃料供給孔６からの引き込み口８の流路抵抗より上記燃料排出孔７への吐き出し口９の流路抵抗の方が小さくなるように形成されている。
【００２４】
すなわち、図２に示すように、燃料ガス流路５の一方の端部は引き込み口８を介して燃料供給孔６と接続され、他方の端部は吐き出し口９を介して燃料排出孔７と接続されているが、特に上記引き込み口８の流路抵抗の方が吐き出し口９の流路抵抗よりも小さくなるように設計されている。具体的には、図２に示すように、引き込み口８の溝幅ｗ_１が燃料ガス流路５の溝幅ｗ_２に比べて狭くされており、また、図３（ａ）に示すように、引き込み口８の溝深さｄ_１が燃料ガス流路５の溝深さｄ_２よりも浅く形成されている。したがって、引き込み口８の流路断面積は、燃料ガス流路５の流路断面積よりも小である。
【００２５】
吐き出し口９は、図２に示すように、先の引き込み口８と同様、その溝幅ｗ_３が燃料ガス流路５の溝幅ｗ_２に比べて狭くされている。ただし、図３（ｂ）に示すように、吐き出し口９の溝深さｄ_３は燃料ガス流路５の溝深さｄ_２よりも大であり、燃料ガス流路５よりも深く形成されている。したがって、吐き出し口９の流路断面積は、引き込み口８の流路断面積よりも大である。
【００２６】
このように、吐き出し口９の流路断面積を引き込み口８の流路断面積よりも大とし、上記燃料供給孔６からの引き込み口８の流路抵抗より上記燃料排出孔７への吐き出し口９の流路抵抗の方が小さくなるように設計することで、燃料ガス流路５に水が凝縮した場合に、供給側と排出側との間に圧力差を生じさせことができ、この圧力差によって燃料ガス流路５から凝縮した水を速やかに排出することができる。
【００２７】
この燃料ガス流路５ａ，５ｂの燃料ガス入口側の流路抵抗を大きくするための手法としては、上記のように引き込み口８ａ，８ｂの溝幅を狭くしたり溝深さを浅くすることによって流路断面積を小さくする方法の他、例えば引き込み口８ａ，８ｂ以外の部分に流路抵抗を小さくする表面処理を施す等の方法を採用することができる。表面処理としては、ショットピーニング等の機械的な加工による粗面化処理や、エッチング等の化学的な加工による粗面化処理等を挙げることができる。さらには、上記表面処理として突起の形成又は溝加工が行われていてもよい。
【００２８】
一方、図４及び図５は、セパレータ４に形成された酸化剤ガス流路１０を示すものである。酸化剤ガス流路１０は、セパレータ４の酸化剤極（空気極）と接する面に多数のリブ１１を所定の間隔で形成することにより、これらリブ１１間の溝部として形成されている。したがって、酸化剤ガス流路１０は、平行する複数本の流路からなり、セパレータ４の一方の長辺側からこれら流路に空気が送り込まれ、セパレータ４の反対側の長辺側から排出される。
【００２９】
各酸化剤ガス流路１０の空気入口側の端部においては、各リブ１１の幅が次第に狭くなるようにその先端部に傾斜面１１ａ（左右方向のテーパ）が形成されるとともに、溝の底面が先端に向かって次第に深くなるような傾斜面１０ａ（上下方向のテーパ）として形成されており、その結果、各酸化剤ガス流路１０は、空気入口側の開口幅ｗ_４が他の部分の溝幅ｗ_５より拡大され、効率的に空気を取り込むようになっている。
【００３０】
本例においては、各酸化剤ガス流路１０の空気出口側の端部においても同様に各リブ１１の幅が次第に狭くなるように形成されるとともに、溝の底面が先端に向かって次第に深くなるような傾斜面１０ａとして形成されており、各酸化剤ガス流路１０の空気出口側の開口幅が他の部分の溝幅より拡大され、効率的に空気を排出するようになっている。
【００３１】
ところで、セパレータ４においては、体積出力密度向上の観点から、その厚さを極力低減することが必要である。このような厚さの薄いセパレータ４で溝を深くして流路断面積を確保することは難しい。セパレータ４の酸化剤ガス流路１０が形成される面には、燃料ガス流路５が形成されており、その分の厚さも必要だからである。しかしながら、各酸化剤ガス流路１０の空気入口側の端部や出口側の端部に相当する領域は、燃料ガスシール部となっており、裏面側に燃料ガス流路５が形成されていない。したがって、この領域を利用して溝の底面が先端に向かって次第に深くなるような傾斜面１０ａとして形成すれば、セパレータ４全体の厚さを増加することなく酸化剤ガス流路１０の流路断面積を拡張することが可能である。また、このように燃料ガスシール部を利用してテーパ形状を施すことにより、セパレータ４の軽量化を図ることが可能である。
【００３２】
図６は、酸化剤ガス流路１０の上下方向にテーパを付与して流路断面積を拡大した場合と、酸化剤ガス流路１０の上下左右方向にテーパを付与して流路断面積を拡大した場合の酸化剤ガスの静圧Ｐｓと流量Ｑの関係を示すものである。酸化剤ガス流路１０の上下方向のみにテーパを付与した場合に比べて、酸化剤ガス流路１０の上下左右方向にテーパを付与した場合に、流路抵抗低減効果が大きいことがわかる。
【００３３】
上記酸化剤ガス流路１０においては、流路断面積を拡張する他、例えば空気入口側の各エッジ部にＲ面取りを施すことによって流路抵抗を減らすようにしてもよい。さらに、酸化剤ガス流路１０を形成する溝の底面と側壁との交差部分を円弧状とし、酸化剤ガス流路１０の溝形状を角部がないような形状とすることも流路抵抗を低減する上で有効である。
【００３４】
さらに、酸化剤ガス流路１０の流路抵抗を低減する方法として、先の燃料ガス流路５の場合と同様、例えば流路抵抗を小さくする表面処理を施す等の方法を採用することができる。表面処理としては、ショットピーニング等の機械的な加工による粗面化処理や、エッチング等の化学的な加工による粗面化処理等を挙げることができる。さらには、上記表面処理として突起の形成又は溝加工が行われていてもよい。
【００３５】
上記酸化剤ガス流路１０の溝幅と溝深さの関係であるが、これらの比率は、酸化剤ガスの供給効率や酸化剤ガスである空気による冷却効率、さらにはセパレータ４の厚さの制限を考慮して設定することが好ましい。例えば、溝幅ｗと溝深さｄとの比（ｗ：ｄ）を２：１．５に設定すれば、これらの要求を満足することができる。溝幅ｗの比率が大きい場合、例えばｗ：ｄ＝２：１であると、酸化剤ガス流路１０に流れ込む酸化剤ガスの流量が不足し、発電効率や冷却効率が低下する原因となる。逆に、深さの比率が大きい場合、例えばｗ：ｄ＝２：２であると、セパレータ４の厚さを厚くせざるを得ない。
【００３６】
上述の構成を有するセパレータは、種々の構成の燃料電池に用いることができる。以下、この種のセパレータが用いられる燃料電池の構成例について説明する。
【００３７】
図７に示すように、燃料電池２０は、筐体３０と、当該燃料電池２０を動作させるのに必要な各種回路が形成された制御基板４０と、上述のセパレータ４を用いて構成される発電部５０と、この発電部５０を冷却するための冷却ファン６１と、発電部５０に対して空気を供給する上述した空気供給部に相当する２つの空気供給ファン６２，６３と、燃料ガス流路５に滞留した水を排出するための水素パージバルブ６４と、水素ガスの圧力制御を行うレギュレータ６５と、水素ガスを発電部５０に供給するための手動バルブ６６とを備える。さらには、図示しないが、必要に応じて、外部から取りこまれる空気や当該燃料電池２０の内部から排出される空気の温度・湿度・圧力等を検知するセンサや、発電部５０自体の温度を検知するセンサ等を備える。
【００３８】
また、この燃料電池２０には、水素ガスを吸蔵させた水素吸蔵カートリッジ７０が取り付けられる。燃料電池２０は、この水素吸蔵カートリッジ７０から供給される水素ガスを受け取り、発電を行う。すなわち、この水素吸蔵カートリッジ７０は、上述した水素ガスを供給する水素供給部に相当するものである。
【００３９】
筐体３０は、図７及び図８に示すように、略直方体状の外形を呈し、燃料電池２０に搭載される各種部材を覆うように、内部が空洞とされるとともに、底面が開放されて構成される。また、筐体３０は、その上面における一の側面側が、かかる一の側面に向かった傾斜面とされる。
【００４０】
また、筐体３０には、３つの排気口３１，３２，３３と、２つの吸気口３４，３５とが形成される。
【００４１】
排気口３１，３２，３３は、図８（ａ）に示すように、筐体３０の一の側面において互いに隣接するように形成される。これら排気口３１，３２，３３からは、それぞれ、発電部５０を冷却するために燃料電池２０の内部に送風された空気と発電部５０による発電反応後の空気とが排出される。
【００４２】
具体的には、排気口３１は、筐体３０の一の側面にスリット状の開口部として形成され、かかる一の側面の上下方向に複数の開口部が配列形成されるとともに、一の側面の上下方向において開口部の長手方向の長さが次第に短くなるように形成され、全体形状が略々円形を呈するようにされている。この排気口３１は、後述する放熱フィンを介して放熱するための空気が、燃料電池２０から排出されるための空気の出口として設けられる。
【００４３】
また、排気口３２，３３は、それぞれ、排気口３１と同様に、筐体３０の一の側面にスリット状の開口部として形成され、かかる一の側面の上下方向に複数の開口部が配列形成されるとともに、一の側面の上下方向において開口部の長手方向の長さが次第に短くなるように形成され、全体形状が略々円形を呈するようにされている。これら排気口３２，３３は、それぞれ、発電部５０による発電を行う際に、この発電部５０に供給された空気が排出されるための出口として設けられる。
【００４４】
一方、吸気口３４，３５は、図８（ｂ）に示すように、筐体３０における排気口３１，３２，３３が形成された一の側面と対面する他の側面において互いに隣接するように形成される。これら吸気口３４，３５からは、それぞれ、発電部５０を冷却するための空気と発電部５０による発電反応に供される酸素を含む空気とが、燃料電池２０の内部に取り込まれる。具体的には、吸気口３４は、筐体３０の側面に略矩形状に開口するように形成され、複数の開口が当該側面の上下方向に配列形成される。この吸気口３４は、後述する放熱フィンを介して放熱するための空気が、燃料電池２０に取り込まれるための空気の取り込み口として設けられる。また、吸気口３５は、吸気口３４と同様に、筐体３０の他の側面に略矩形状に開口し、かかる一の側面の上下方向に複数形成される。この吸気口３５は、発電部５０による発電を行う際に、この発電部５０に供給される空気が取り込まれるための取り込み口として設けられる。
【００４５】
さらに、筐体３０には、図７、図８（ｃ）及び図８（ｄ）に示すように、一の端面に、燃料電池２０と外部との間で各種信号を送受信するための配線を当該燃料電池２０の内部に挿入するための接続孔３６，３７が形成されるとともに、他の端面に、所要の接続孔３８が形成される。
【００４６】
制御基板４０には、燃料電池２０を構成する各種部材を制御するための制御回路を含む各種回路が形成される。制御基板４０は、発電部５０の上側に設けられる。なお、この制御回路４０に形成される制御回路の詳細については、特に図示しないが、例えば、冷却ファン６１及び空気供給ファン６２，６３の駆動を制御する制御回路、水素パージバルブ６４の開閉動作を制御する制御回路、発電部５０から出力される電圧を昇圧するＤＣ／ＤＣ（Direct Current to Direct Current）コンバータといった電圧変換回路、後述するセンサによって検知された温度や湿度等の各種環境条件を取得することによって各種部材の駆動に関する指示を与える制御回路等が実装される。なお、ここでは、この制御基板４０が、燃料電池２０の内部に設けられるものとして説明するが、この制御基板４０は、燃料電池２０の外部に設けてもよく、例えば、燃料電池２０から駆動用の電力が提供される各種電子機器が備えるようにしてもよい。
【００４７】
発電部５０は、図７及び図９に示すように、略直方体状の外形を呈し、冷却ファン６１及び空気供給ファン６２，６３に臨む側面５６に対向する側面の一部が上下方向に沿って矩形状に切り欠かれた形状とされる。
【００４８】
具体的には、発電部５０は、図９に示すように、例えば９枚のセパレータ４の間にそれぞれ発電体としての接合体５１が挟み込まれて構成され、これにより、発電を行う単位素子が８個直列に接続されたスタック構造を有する。
【００４９】
単位素子は、図１０に示すように、上述した２つのセパレータ４と、これら２つのセパレータ４の間に挟持される接合体５１とから構成される。なお、同図においては、直列に接続される２つの単位素子を示している。
【００５０】
セパレータ４には、燃料ガス流路５及び酸化剤ガス流路１０が形成された面外に放熱フィン５２が突設される。セパレータ４においては、後述するように、冷却ファン６１の作用により、この放熱フィン５２を介して放熱が行われる。また、セパレータ４には、裏面側に複数の酸化剤ガス流路１０が設けられる。セパレータ４においては、後述するように、空気供給ファン６２，６３の作用によってこの酸化剤ガス流路１０に空気が供給されることにより、発電部５０の内部における空気の流動が実現される。
【００５１】
接合体５１は、吸湿した際にイオン伝導性を有する固体高分子電解質膜５３と、この固体高分子電解質膜５３を両面から挟み込む電極５４とによって形成される。固体高分子電解質膜５３としては、例えばスルホン酸系の固体高分子電解質膜を用いることができる。また、電極５４としては、発電反応を促進するための触媒が担持された電極を用いることができる。
【００５２】
また、接合体５１の周縁付近には、発電部５０としてスタック構造を形成した際に、セパレータ４と接合体５１との間を封止する封止部材８５が配置される。この封止部材５５は、セパレータ４の周縁部と接合体５１の周縁部とを十分に絶縁することができる材質から構成される。また、封止部材５５としては、発電部５０の放熱性を高めるために高い熱伝導性を有する材質を用いることが好ましく、例えば商品名コサーム（太陽金網社製）といった十分な熱伝導性及び電気的絶縁性を有する材質が好適である。
【００５３】
このような単位素子は、例えば１素子で約０．６Ｖの電圧を出力することができるものであり、図１０に示した発電部５０は、単位素子が８個直列に接続されていることから、全体で４．８Ｖの電圧を出力することが可能である。また、発電部５０は、約２Ａの電流を流すことが可能である。これにより、発電部５０から出力される電力は、理論的には９．６Ｗとなるが、発電反応における発熱等により、実際には、理想的な出力電力の約７割である約６．７Ｗ程度である。ただし、発電部５０は、接合体５１に含まれる水分量を適切に調整したり、当該発電部５０への水素ガスの円滑な供給を実現したりすることにより、さらに出力電力を高めることができる。なお、発電部５０を形成する単位素子は、必ずしも８個である必要はなく、各種電子機器を駆動するために必要な出力電力に合わせて所要の数だけ設置すればよい。
【００５４】
発電部５０は、このような単位素子が複数直列に接続されることによってスタック構造とされる。したがって、発電部５０の一の側面５６には、図９に示したように、各セパレータ４に形成された複数の酸化剤ガス流路１０における排出口が臨み、反対側の側面には、図示しないが、複数の排出口のそれぞれに対応するように、複数の酸化剤ガス流路１０における上述した供給口が臨むように、当該発電部５０が構成される。
【００５５】
そして、発電部５０には、図７に示したように、側面５６に沿って、冷却ファン６１及び空気供給ファン６２，６３が互いに隣接するように設けられる。また、発電部５０には、端面に沿って、水素パージバルブ６４、レギュレータ６５及び手動バルブ６６が互いに隣接するように設けられる。
【００５６】
冷却ファン６１は、筐体３０に形成された排気口３１と発電部５０における放熱フィン５２との間に側面５６に沿って設けられ、発電部５０を冷却する。具体的には、冷却ファン６１は、図１１に示すように、筐体３０に形成された吸気口３４から取り込まれた空気を排気口３１まで送風し、燃料電池５０の外部に排出する。
【００５７】
このように、燃料電池２０においては、放熱フィン５２を通過するように冷却ファン６１によって空気を流動させることにより、放熱フィン５２を介して発電部５０の放熱を行うことができる。
【００５８】
なお、冷却ファン６１を設ける位置としては、放熱フィン５２の近傍に限ることはなく、発電部５０の冷却を目的として燃料電池２０の内部全体に空気を流動させるような位置に設けるようにしてもよい。また、燃料電池２０においては、冷却ファン６１を逆回転させることにより、空気を逆向きに送風するようにしてもよい。
【００５９】
空気供給ファン６２，６３は、それぞれ、筐体３０に形成された排気口３２，３３と発電部５０における酸化剤ガス流路１０の排出口に臨む領域との間に側面５６に沿って設けられ、発電部５０に対して空気を供給する。具体的には、空気供給ファン６２，６３は、それぞれ、図１１に示すように、筐体３０に形成された吸気口３５から取り込まれた空気を発電部５０を介して排気口３２，３３まで流動させ、燃料電池２０の外部に排出する。
【００６０】
このように、燃料電池２０においては、発電部５０を通過するように空気供給ファン６２，６３のそれぞれによって空気を送り込むことにより、発電部５０を構成するセパレータ４に形成された酸化剤ガス流路１０に空気を供給することができる。
【００６１】
なお、燃料電池２０においては、冷却ファン６１と同様に、空気供給ファン６２，６３のそれぞれを逆回転させることにより、空気を逆向きに流動させるようにしてもよい。また、これら空気供給ファン６２，６３のそれぞれによって形成される空気の流れは、冷却ファン６１によって形成される空気の流れとは独立させることができる。したがって、燃料電池２０においては、冷却ファン６１と空気供給ファン６２，６３とを独立して駆動することにより、発電部５０の冷却と発電部５０に対する空気の供給及び排出とを独立して行うことが可能となる。特に、燃料電池２０においては、発電部５０の温度や発電部５０に残留する水分量を測定し、これに応じて、空気供給ファン６２，６３と冷却ファン６１とを独立して駆動することにより、例えばドライアップのような発電の際の不具合を生じさせることなく安定した発電を行うことが可能となる。
【００６２】
水素パージバルブ６４は、セパレータ４に形成された燃料ガス流路５を大気開放することによって水素濃度が低下したり不純物濃度が上昇した燃料排ガスを排出し、さらには燃料ガス流路５内に滞留した水を排出する。すなわち、燃料電池２０においては、水素パージバルブ６４を開くことによって燃料ガス流路５が大気開放されると、先に述べたように、燃料ガス流路５に滞留した水に対する供給路側の水素ガスの圧力と大気開放された排出側の圧力との間に圧力差が生じ、かかる圧力差によって燃料ガス流路５に滞留した水が排出される。
【００６３】
このように、燃料電池２０においては、水素ガスを供給する路側と水素パージバルブ６４によって大気開放される水の排出側との間で圧力差を生じさせることにより、発電部５０がスタック構造を有する場合であっても、滞留した水の影響によって水素ガスが流れにくくなっている燃料ガス流路５から水を排出することが可能となり、燃料ガス流路５に水素ガスを円滑に流すことができる。
【００６４】
なお、燃料電池２０においては、水素パージバルブ６４として、例えば電磁力を用いた駆動方式によって駆動するものを用いてもよく、当該水素パージバルブ６４を駆動させるための電力を発電部５０から供給するようにしてもよい。
【００６５】
レギュレータ６５は、水素吸蔵カートリッジ７０から供給される水素ガスの圧力制御を行うものであり、水素ガスの圧力を所定の圧力になるように調整し、発電部５０に供給する。例えば、レギュレータ６５は、水素吸蔵カートリッジ７０から供給される水素ガスの圧力が例えば０．８ＭＰａ〜１．０ＭＰａ程度である場合には、この水素ガスの圧力を例えば０．０５ＭＰａ〜０．１０ＭＰａ程度の圧力に減圧し、発電部５０に供給する。
【００６６】
手動バルブ６６は、水素ガスを発電部５０に供給するために設けられるものであり、発電部５０によって発電を行う際に、水素吸蔵カートリッジ７０から発電部５０に水素ガスを供給するための流路を開放する。
【００６７】
このような各部を備える燃料電池２０においては、冷却ファン６１、空気供給ファン６２，６３、水素パージバルブ６４、レギュレータ６５及び手動バルブ６６を配置するための領域を発電部５０の周囲に確保することにより、当該燃料電池２０を駆動するための各種部材をコンパクトに筐体３０の内部に収納することが可能となり、これにより、当該燃料電池２０の大幅な小型化を実現することが可能となる。
【００６８】
したがって、以上の構成を有する燃料電池２０は、例えば、ノート型のパーソナルコンピュータ、携帯電話機又は携帯情報端末機（Personal Digital Assistants；ＰＤＡ）といった携帯型の各種電子機器をはじめとする任意の電子機器を駆動するための電力を供給する電源として極めて好適に用いることができる。
【００６９】
また、上述の燃料電池では、先に詳述した酸化剤ガス流路１０の空気入口側及び出口側の流路断面積が拡大された燃料電池用セパレータ４を用いているので、空気供給ファン６２、６３を駆動するための電力を軽減することができ、燃料電池の総合発電効率を向上することができる。また、酸化剤ガスが効率的に供給されるため、空気供給ファン６２、６３を小型化することができ、燃料電池の体積出力密度を向上することができる。さらに、空気供給ファン６２、６３の回転数を軽減することもでき、燃料電池の静音運転が可能である。さらにまた、酸化剤ガスである空気の流量が増加するため、冷却効果が向上するという利点も有する。
【００７０】
【発明の効果】
以上の説明からも明らかなように、本発明の燃料電池用セパレータによれば、酸化剤ガスを効率的に取り込むことが可能である。したがって、かかるセパレータを用いた燃料電池では、総合発電効率を向上することが可能であり、また体積出力密度を向上することができ、さらには静音運転も可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】燃料電池の発電部分を分解して示す概略斜視図である。
【図２】燃料電池用セパレータの燃料ガス流路形成面の概略平面図である。
【図３】燃料電池用セパレータの一部を拡大して示す断面図であり、（ａ）は引き込み口近傍を示し、（ｂ）は吐き出し口近傍を示す。
【図４】燃料電池用セパレータの酸化剤ガス流路形成面の概略平面図である。
【図５】燃料電池用セパレータの酸化剤ガス流路形成面の概略斜視図である。
【図６】酸化剤ガス流路にテーパを付与して流路断面積を拡大した場合の酸化剤ガスの静圧Ｐｓと流量Ｑの関係を示す特性図である。
【図７】燃料電池の構造例を示す分解斜視図である。
【図８】燃料電池を構成する筐体の構造を示す図であり、（ａ）は一側面の側面図、（ｂ）は反対側の側面を示す側面図、（ｃ）は端面図、（ｄ）は他方の端面を示す端面図である。
【図９】燃料電池を構成する発電部の概略構成を示す斜視図である。
【図１０】燃料電池を構成する発電部の一部を示す分解斜視図である。
【図１１】燃料電池の構造を示す平面図である。
【符号の説明】
１電解質膜
２，３電極
４セパレータ
５燃料ガス流路
６燃料供給孔
７燃料排出孔
８引き込み口
９吐き出し口
１０酸化剤ガス流路
１０ａ傾斜面
１１リブ
１１ａ傾斜面
１２燃料供給路
１３排気路[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel cell separator having an oxidant gas flow path formed thereon, and further relates to a fuel cell using the same.
[0002]
[Prior art]
A fuel cell is a power generation element that generates power by electrochemically reacting, for example, hydrogen gas (fuel gas) and oxygen (oxidant gas) contained in air. Fuel cells have attracted attention in recent years as power generating elements that do not pollute the environment because the product generated by power generation is water.For example, attempts have been made to use them as drive power sources for driving automobiles. I have.
[0003]
Further, fuel cells are being actively developed as a drive power source for not only the above-described drive power source for driving a car but also a portable electronic device such as a notebook personal computer, a mobile phone, and a PDA. In such a fuel cell, it is important to be able to stably output required electric power and to have a portable size and weight, and various technologies have been actively developed to meet such demands. I have.
[0004]
Fuel cells are classified into various types according to differences in electrolytes and the like. As a typical example, a fuel cell using a solid polymer electrolyte as an electrolyte is known. The polymer electrolyte fuel cell is promising for, for example, the above applications because it can be reduced in cost, can be easily reduced in size and weight, and has a high output density in terms of battery performance.
[0005]
By the way, in the fuel cell as described above, how to efficiently supply hydrogen gas, which is a fuel gas, and air, which is an oxidant gas, to the fuel electrode and the oxidant electrode is a factor in improving the overall power generation efficiency of the fuel cell. Is important. Here, hydrogen, which is a fuel gas, is usually supplied under pressure from a high-pressure gas tank, a hydrogen storage cartridge, or the like, so that the supply method does not matter. On the other hand, air which is an oxidizing gas needs to be sent into the oxidizing gas flow path using, for example, a fan or the like.
[0006]
For example, when air is supplied to the fuel cell stack by a fan, which is an auxiliary device for supplying oxidant gas, it is considered that in order to realize efficient supply, it is necessary to increase the air supply, but in this case, Therefore, large power is required to drive the fan. Normally, the fan, which is an auxiliary device for supplying the oxidizing gas, is also driven by the power of the fuel cell, and consuming large power by the fan is not preferable when considering the overall power generation efficiency of the fuel cell. Absent. In addition, a fan having a large blowing capacity is inevitably increased in size, resulting in an increase in the size of a fuel cell incorporating the fan, and lowering the volume output density of the fuel cell. Further, in order to increase the amount of air to be blown, it is necessary to increase the number of rotations of the fan. However, noise generated by the fan also causes a problem.
[0007]
As a technique for efficiently supplying air as an oxidizing gas, a technique described in Patent Document 1 and a technique described in Patent Document 2 are known. However, a special introduction path is required or the shape is restricted. However, none of them are sufficient, and further improvement is desired when considering miniaturization of the fuel cell.
[0008]
[Patent Document 1]
JP 2001-313061 A
[Patent Document 2]
JP 2000-323155 A
[Problems to be solved by the invention]
The present invention has been proposed in view of such conventional circumstances, and a fuel cell separator capable of efficiently taking in an oxidizing gas and improving the overall power generation efficiency of the fuel cell has been proposed. It is another object of the present invention to provide a fuel cell having excellent power generation efficiency. It is another object of the present invention to provide a fuel cell separator and a fuel cell that can be operated quietly without increasing the size.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the fuel cell separator of the present invention has a fuel gas flow path on one surface and an oxidizing gas flow path on the other surface, and the oxidizing gas flow path is The cross-sectional area of the flow path is enlarged on the inlet side of the oxidizing gas to reduce the flow path resistance.
[0012]
Further, the fuel cell of the present invention has a joined body including an ion conductor having ion conductivity and electrodes facing each other with the ion conductor interposed therebetween, and a separator sandwiching the joined body. Having a stack structure in which a body and a separator are stacked, the separator has a fuel gas flow path on one surface, and has an oxidizing gas flow path on the other surface, and the oxidizing gas flow path is The cross-sectional area of the flow path is enlarged on the inlet side of the oxidizing gas to reduce the flow path resistance.
[0013]
In the fuel cell separator of the present invention, in the oxidizing gas flow path, the flow path cross-sectional area on the inlet side of the oxidizing gas is enlarged and the flow path resistance is reduced, so that the oxidizing gas (air) is efficiently removed. Can be taken into account. Therefore, the oxidizing gas is efficiently supplied to the oxidizing electrode even when the driving power of the auxiliary device (for example, a fan) for supplying the oxidizing gas is suppressed. Also, there is no need to increase the size of the auxiliary equipment for supplying the oxidizing gas, and silent operation is realized.
[0014]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, a fuel cell separator and a fuel cell to which the present invention is applied will be described in detail with reference to the drawings.
[0015]
FIG. 1 is an exploded view of a power generation portion of a fuel cell. Usually, a fuel cell has a stack structure, and this stack structure is composed of an electrolyte membrane 1 made of a solid polymer electrolyte membrane, and two electrodes 2 disposed on both sides of the electrolyte membrane so as to sandwich the electrolyte membrane. 3 (a fuel electrode and an oxidizer electrode) and a separator 4 serving as a partition between cells.
[0016]
Here, a solid polymer electrolyte membrane, for example, is used for the electrolyte membrane 1 in consideration of requirements such as high energy density, low cost, and light weight. As the solid polymer electrolyte membrane, for example, a sulfonic acid-based solid polymer electrolyte membrane can be used. As the electrodes 2 and 3, for example, electrodes carrying a catalyst for promoting a power generation reaction are used.
[0017]
The electrolyte membrane 1 is sandwiched between the electrodes 2 and 3, and a power generation cell (unit element) is configured by sandwiching a joined body composed of the electrolyte membrane 1 and the electrodes 2 and 3 between two separators 4.
[0018]
The fuel electrode of the electrodes 2 and 3 is supplied with hydrogen as a fuel, and the supplied hydrogen is dissociated into hydrogen ions and electrons. The hydrogen ions pass through the electrolyte and the electrons pass through an external circuit to supply power. Generate and move to the oxidizer electrode respectively. Oxygen (air), which is an oxidant, is supplied to the oxidant electrode, and oxygen in the supplied air reacts with the hydrogen ions and electrons to generate water.
[0019]
The separator 4 basically has a function as a partition between cells, but also has a function as a current collector, a fuel gas flow path, and an air flow path. Therefore, it is formed of a dense material that does not transmit these gases.
[0020]
A fuel gas flow path for flowing hydrogen as a fuel and an oxidizing gas flow path for flowing air as an oxidizing gas are formed on surfaces of the separator 4 in contact with the electrodes 2 and 3, respectively. . 2 to 5 show plane shapes of surfaces of the separator 4 which are in contact with the electrode 2 or the electrode 3, respectively.
[0021]
FIG. 2 shows the fuel gas flow path 5 formed in the separator 4. The fuel gas flow path 5 is formed of a groove meandering in a so-called meander shape. By supplying hydrogen gas to the fuel gas flow path 5, hydrogen gas is supplied to almost the entire fuel electrode of each power generation cell. Will be.
[0022]
In each separator 4, a fuel supply hole 6 serving as an inlet for hydrogen gas and a fuel discharge hole 7 serving as an outlet for fuel exhaust gas after consumption of hydrogen at the fuel electrode are formed so as to penetrate the separator 4 in the thickness direction. One end of the fuel gas flow path 5 is connected to the fuel supply hole 6 via the inlet 8, and the other end is connected to the fuel discharge hole 7 via the outlet 9. . The fuel supply hole 6 and the fuel discharge hole 7 communicate with each other when the plurality of separators 4 are overlapped, and constitute a fuel supply passage and a fuel discharge passage, respectively.
[0023]
Here, for example, when water condenses and accumulates in the fuel gas flow path 5, it becomes difficult to stably supply the fuel gas, and the water covers the power generation surface of the fuel electrode to suppress the reaction and stabilize the power generation. May be difficult to continue. Therefore, in the present embodiment, the passage resistance of the outlet 9 to the fuel discharge hole 7 is smaller than the passage resistance of the inlet 8 from the fuel supply hole 6.
[0024]
That is, as shown in FIG. 2, one end of the fuel gas flow path 5 is connected to the fuel supply hole 6 through the inlet 8, and the other end is connected to the fuel discharge hole 7 through the outlet 9. Although they are connected, in particular, they are designed so that the flow path resistance of the inlet 8 is smaller than the flow path resistance of the discharge port 9. Specifically, as shown in FIG. 2, the groove width w ₁ of the retraction port 8 is narrower than the groove width w ₂ of the fuel gas flow passage 5, and as shown in FIG. 3 (a) The groove depth d ₁ of the inlet 8 is formed smaller than the groove depth d ₂ of the fuel gas flow path 5. Therefore, the flow passage cross-sectional area of the inlet 8 is smaller than the flow passage cross-sectional area of the fuel gas flow passage 5.
[0025]
Outlet 9, as shown in FIG. 2, which is similar to the previous service entrance 8, the groove width w ₃ is narrower than the groove width w ₂ of the fuel gas channel 5. However, as shown in FIG. 3B, the groove depth d ₃ of the discharge port 9 is larger than the groove depth d _{2 of} the fuel gas flow path 5 and is formed deeper than the fuel gas flow path 5. I have. Therefore, the cross-sectional area of the outlet 9 is larger than the cross-sectional area of the inlet 8.
[0026]
As described above, the cross-sectional area of the outlet 9 is made larger than the cross-sectional area of the inlet 8, and the outlet to the fuel outlet 7 is determined by the flow resistance of the inlet 8 from the fuel supply hole 6. 9 is designed to have a smaller flow path resistance, when water condenses in the fuel gas flow path 5, a pressure difference can be generated between the supply side and the discharge side. The condensed water can be quickly discharged from the fuel gas passage 5 due to the difference.
[0027]
As a technique for increasing the flow path resistance of the fuel gas flow paths 5a and 5b on the fuel gas inlet side, as described above, the groove width of the inlets 8a and 8b is reduced or the groove depth is reduced. In addition to the method of reducing the cross-sectional area of the flow path, a method of performing a surface treatment to reduce the flow path resistance on portions other than the inlets 8a and 8b can be adopted. Examples of the surface treatment include a surface roughening treatment by mechanical processing such as shot peening and a surface roughening treatment by chemical processing such as etching. Further, as the surface treatment, formation of a projection or groove processing may be performed.
[0028]
4 and 5 show the oxidizing gas flow path 10 formed in the separator 4. FIG. The oxidant gas flow path 10 is formed as a groove between the ribs 11 by forming a large number of ribs 11 at predetermined intervals on a surface of the separator 4 in contact with the oxidant electrode (air electrode). Therefore, the oxidizing gas flow path 10 is composed of a plurality of parallel flow paths, and air is sent into these flow paths from one long side of the separator 4 and discharged from the long side opposite to the separator 4. You.
[0029]
At the end on the air inlet side of each oxidizing gas passage 10, an inclined surface 11a (a taper in the left-right direction) is formed at the tip so that the width of each rib 11 is gradually reduced, and the bottom of the groove is formed. There are formed as progressively deeper comprising such inclined surface 10a toward the tip (vertical direction of the taper), so that each oxidizing gas passage 10, the air inlet side opening width w ₄ of the other portion is enlarged than the groove width w _5, it is effectively adapted to take in air.
[0030]
In this example, similarly, the width of each rib 11 is similarly formed so as to gradually decrease at the air outlet side end of each oxidizing gas flow path 10, and the bottom surface of the groove gradually increases toward the tip. The opening width on the air outlet side of each oxidizing gas passage 10 is larger than the groove width of the other portion, and the air is efficiently discharged.
[0031]
By the way, the thickness of the separator 4 needs to be reduced as much as possible from the viewpoint of improving the volume output density. It is difficult to secure the channel cross-sectional area by making the groove deep with the separator 4 having such a small thickness. This is because the fuel gas channel 5 is formed on the surface of the separator 4 where the oxidizing gas channel 10 is formed, and the thickness of the fuel gas channel 5 is required. However, a region corresponding to the air inlet end or the outlet end of each oxidizing gas passage 10 is a fuel gas seal portion, and the fuel gas passage 5 is not formed on the back surface side. . Therefore, if this groove is used to form the inclined surface 10a such that the bottom surface of the groove gradually becomes deeper toward the tip, the flow path of the oxidizing gas flow path 10 can be cut without increasing the overall thickness of the separator 4. It is possible to expand the area. Further, by providing the tapered shape using the fuel gas seal portion as described above, the weight of the separator 4 can be reduced.
[0032]
FIG. 6 shows a case where the cross-sectional area of the oxidizing gas flow path 10 is increased by providing a taper in the vertical direction, and a case where a taper is provided in the vertical direction and the left-right direction of the oxidizing gas flow path 10 to increase the flow cross-sectional area. It shows the relationship between the static pressure Ps of the oxidizing gas and the flow rate Q when it is enlarged. It can be seen that the flow resistance reduction effect is greater when the taper is provided in the vertical and horizontal directions of the oxidant gas flow path 10 than when the taper is provided only in the vertical direction of the oxidant gas flow path 10.
[0033]
In the oxidizing gas flow path 10, besides expanding the flow path cross-sectional area, the flow path resistance may be reduced by, for example, performing R chamfering on each edge portion on the air inlet side. Further, the intersection between the bottom surface and the side wall of the groove forming the oxidizing gas flow path 10 may be formed in an arc shape, and the groove shape of the oxidizing gas flow path 10 may be formed so as to have no corner. It is effective in reducing.
[0034]
Furthermore, as a method of reducing the flow path resistance of the oxidizing gas flow path 10, a method such as performing a surface treatment to reduce the flow path resistance can be adopted as in the case of the fuel gas flow path 5 described above. . Examples of the surface treatment include a surface roughening treatment by mechanical processing such as shot peening and a surface roughening treatment by chemical processing such as etching. Further, as the surface treatment, formation of a projection or groove processing may be performed.
[0035]
The relationship between the groove width and the groove depth of the oxidizing gas passage 10 is determined by the ratio of the supply efficiency of the oxidizing gas, the cooling efficiency by air as the oxidizing gas, and the thickness of the separator 4. It is preferable to set in consideration of restrictions. For example, if the ratio (w: d) of the groove width w to the groove depth d is set to 2: 1.5, these requirements can be satisfied. When the ratio of the groove width w is large, for example, when w: d = 2: 1, the flow rate of the oxidizing gas flowing into the oxidizing gas flow path 10 becomes insufficient, which causes a reduction in power generation efficiency and cooling efficiency. Conversely, when the depth ratio is large, for example, w: d = 2: 2, the thickness of the separator 4 must be increased.
[0036]
The separator having the above-described configuration can be used for fuel cells having various configurations. Hereinafter, a configuration example of a fuel cell using this type of separator will be described.
[0037]
As shown in FIG. 7, the fuel cell 20 includes a housing 30, a control board 40 on which various circuits necessary for operating the fuel cell 20 are formed, and a power generation configured using the separator 4 described above. Unit 50, a cooling fan 61 for cooling the power generation unit 50, two air supply fans 62 and 63 corresponding to the above-described air supply unit for supplying air to the power generation unit 50, and a fuel gas flow path 5 includes a hydrogen purge valve 64 for discharging water remaining in the fuel cell 5, a regulator 65 for controlling the pressure of hydrogen gas, and a manual valve 66 for supplying hydrogen gas to the power generation unit 50. Further, although not shown, if necessary, sensors for detecting the temperature, humidity, pressure, and the like of the air taken in from the outside and the air exhausted from the inside of the fuel cell 20 and the temperature of the power generation unit 50 itself are measured. It is provided with a sensor for detecting.
[0038]
Further, a hydrogen storage cartridge 70 storing hydrogen gas is attached to the fuel cell 20. The fuel cell 20 receives hydrogen gas supplied from the hydrogen storage cartridge 70 and performs power generation. That is, the hydrogen storage cartridge 70 corresponds to a hydrogen supply unit that supplies the hydrogen gas described above.
[0039]
As shown in FIGS. 7 and 8, the housing 30 has a substantially rectangular parallelepiped outer shape, and has a hollow inside so as to cover various members mounted on the fuel cell 20, and has an open bottom surface. Be composed. In addition, one side surface of the housing 30 has an inclined surface facing the one side surface.
[0040]
Further, the housing 30 is formed with three exhaust ports 31, 32, 33 and two intake ports 34, 35.
[0041]
As shown in FIG. 8A, the exhaust ports 31, 32, and 33 are formed adjacent to each other on one side surface of the housing 30. The air blown into the fuel cell 20 for cooling the power generation unit 50 and the air after the power generation reaction by the power generation unit 50 are discharged from these exhaust ports 31, 32, and 33, respectively.
[0042]
Specifically, the exhaust port 31 is formed as a slit-shaped opening on one side surface of the housing 30, and a plurality of openings are arrayed vertically in the one side surface, and the exhaust port 31 is formed on the one side surface. The opening is formed such that the length of the opening in the longitudinal direction is gradually reduced in the vertical direction, and the overall shape is substantially circular. The exhaust port 31 is provided as an air outlet for discharging air from the fuel cell 20 for releasing heat through a radiation fin described later.
[0043]
Similarly to the exhaust port 31, each of the exhaust ports 32 and 33 is formed as a slit-shaped opening on one side surface of the housing 30, and a plurality of openings are arrayed vertically in the one side surface. At the same time, the opening is formed such that the length in the longitudinal direction of the opening in the vertical direction of one side surface is gradually reduced, and the overall shape is substantially circular. Each of the exhaust ports 32 and 33 is provided as an outlet for discharging the air supplied to the power generation unit 50 when the power generation unit 50 generates power.
[0044]
On the other hand, as shown in FIG. 8B, the air inlets 34 and 35 are formed so as to be adjacent to each other on the other side facing the one side on which the outlets 31, 32 and 33 are formed in the housing 30. Is done. From these intake ports 34 and 35, air for cooling the power generation unit 50 and air containing oxygen used for the power generation reaction by the power generation unit 50 are taken into the fuel cell 20. Specifically, the intake port 34 is formed so as to open in a substantially rectangular shape on the side surface of the housing 30, and a plurality of openings are arranged and formed vertically in the side surface. The air intake port 34 is provided as an air intake port through which air for radiating heat via a radiation fin described later is taken into the fuel cell 20. Similarly to the intake port 34, the intake port 35 is opened in a substantially rectangular shape on the other side surface of the housing 30, and a plurality of intake ports 35 are formed in the vertical direction on the one side surface. The intake port 35 is provided as an intake port through which air supplied to the power generation unit 50 is taken in when power is generated by the power generation unit 50.
[0045]
Further, as shown in FIG. 7, FIG. 8 (c) and FIG. 8 (d), a wiring for transmitting and receiving various signals between the fuel cell 20 and the outside is provided on one end surface of the housing 30. Connection holes 36 and 37 for insertion into the fuel cell 20 are formed, and a required connection hole 38 is formed on the other end surface.
[0046]
Various circuits including a control circuit for controlling various members constituting the fuel cell 20 are formed on the control board 40. The control board 40 is provided above the power generation unit 50. Although details of the control circuit formed in the control circuit 40 are not particularly shown, for example, a control circuit for controlling the driving of the cooling fan 61 and the air supply fans 62 and 63, and the opening and closing operation of the hydrogen purge valve 64 are controlled. A voltage conversion circuit such as a direct current to direct current (DC / DC) converter for boosting a voltage output from the power generation unit 50, and various environmental conditions such as temperature and humidity detected by a sensor described later. Thus, a control circuit or the like for giving an instruction regarding driving of various members is mounted. Although the control board 40 is described here as being provided inside the fuel cell 20, the control board 40 may be provided outside the fuel cell 20. Various electronic devices to which the power is supplied may be provided.
[0047]
As shown in FIGS. 7 and 9, the power generation unit 50 has a substantially rectangular parallelepiped outer shape, and a part of a side surface facing the side surface 56 facing the cooling fan 61 and the air supply fans 62 and 63 extends vertically. The shape is a rectangular shape.
[0048]
Specifically, as shown in FIG. 9, the power generation unit 50 is configured such that, for example, a joined body 51 as a power generator is sandwiched between nine separators 4, whereby a unit element that generates power is formed. It has a stack structure in which eight are connected in series.
[0049]
As shown in FIG. 10, the unit element includes the above-described two separators 4 and a joined body 51 sandwiched between the two separators 4. Note that FIG. 2 shows two unit elements connected in series.
[0050]
Radiator fins 52 are provided on the separator 4 so as to protrude out of the plane where the fuel gas flow path 5 and the oxidizing gas flow path 10 are formed. In the separator 4, heat is radiated through the radiating fins 52 by the action of the cooling fan 61, as described later. The separator 4 is provided with a plurality of oxidizing gas channels 10 on the back side. In the separator 4, as described later, the air is supplied to the oxidizing gas passage 10 by the action of the air supply fans 62 and 63, thereby realizing the flow of the air inside the power generation unit 50.
[0051]
The bonded body 51 is formed by a solid polymer electrolyte membrane 53 having ion conductivity when absorbing moisture, and electrodes 54 sandwiching the solid polymer electrolyte membrane 53 from both sides. As the solid polymer electrolyte membrane 53, for example, a sulfonic acid-based solid polymer electrolyte membrane can be used. Further, as the electrode 54, an electrode supporting a catalyst for promoting a power generation reaction can be used.
[0052]
A sealing member 85 that seals the space between the separator 4 and the joined body 51 when the stack structure is formed as the power generation unit 50 is disposed near the periphery of the joined body 51. The sealing member 55 is made of a material that can sufficiently insulate the peripheral edge of the separator 4 from the peripheral edge of the joined body 51. Further, as the sealing member 55, it is preferable to use a material having high thermal conductivity in order to enhance the heat radiation of the power generation unit 50. A material having an electrically insulating property is preferable.
[0053]
Such a unit element can output, for example, a voltage of about 0.6 V with one element, and the power generation unit 50 shown in FIG. 10 has eight unit elements connected in series. , And a total voltage of 4.8 V can be output. Further, the power generation unit 50 can flow a current of about 2 A. Thus, the power output from the power generation unit 50 is theoretically 9.6 W, but is actually about 6.7 W which is about 70% of the ideal output power due to heat generation in the power generation reaction. It is about. However, the power generation unit 50 can further increase the output power by appropriately adjusting the amount of moisture contained in the joined body 51 or realizing a smooth supply of hydrogen gas to the power generation unit 50. . The number of the unit elements forming the power generation unit 50 is not necessarily eight, but may be set to a required number according to the output power required to drive various electronic devices.
[0054]
The power generation unit 50 has a stack structure by connecting a plurality of such unit elements in series. Therefore, as shown in FIG. 9, the outlets of the plurality of oxidizing gas passages 10 formed in the respective separators 4 face one side surface 56 of the power generation unit 50, and the other side surface has the illustrated side. Although not shown, the power generation unit 50 is configured such that the above-described supply ports in the plurality of oxidizing gas channels 10 face the respective discharge ports.
[0055]
As shown in FIG. 7, a cooling fan 61 and air supply fans 62 and 63 are provided in the power generation unit 50 along the side surface 56 so as to be adjacent to each other. The power generation unit 50 is provided with a hydrogen purge valve 64, a regulator 65, and a manual valve 66 adjacent to each other along the end face.
[0056]
The cooling fan 61 is provided along the side surface 56 between the exhaust port 31 formed in the housing 30 and the radiation fin 52 of the power generation unit 50, and cools the power generation unit 50. Specifically, as shown in FIG. 11, the cooling fan 61 blows air taken in from the air inlet 34 formed in the housing 30 to the air outlet 31 and discharges the air outside the fuel cell 50.
[0057]
As described above, in the fuel cell 20, heat can be radiated from the power generation unit 50 through the radiating fins 52 by flowing the air by the cooling fan 61 so as to pass through the radiating fins 52.
[0058]
The position where the cooling fan 61 is provided is not limited to the vicinity of the radiation fins 52, and may be provided at a position where air flows through the entire inside of the fuel cell 20 for the purpose of cooling the power generation unit 50. Good. Further, in the fuel cell 20, air may be blown in the opposite direction by rotating the cooling fan 61 in the reverse direction.
[0059]
The air supply fans 62 and 63 are provided along the side surface 56 between the exhaust ports 32 and 33 formed in the housing 30 and the area of the power generation unit 50 facing the exhaust port of the oxidizing gas flow path 10, respectively. , And supplies air to the power generation unit 50. Specifically, as shown in FIG. 11, the air supply fans 62 and 63 respectively supply the air taken in from the intake port 35 formed in the housing 30 to the exhaust ports 32 and 33 via the power generation unit 50. Fluid is discharged to the outside of the fuel cell 20.
[0060]
As described above, in the fuel cell 20, the air is supplied by the air supply fans 62 and 63 so as to pass through the power generation unit 50, so that the oxidant gas flow path formed in the separator 4 constituting the power generation unit 50. 10 can be supplied with air.
[0061]
In the fuel cell 20, similarly to the cooling fan 61, the air may be caused to flow in the opposite direction by rotating the air supply fans 62 and 63 in reverse. Further, the flow of air formed by each of the air supply fans 62 and 63 can be made independent of the flow of air formed by the cooling fan 61. Therefore, in the fuel cell 20, by independently driving the cooling fan 61 and the air supply fans 62 and 63, the cooling of the power generation unit 50 and the supply and discharge of air to the power generation unit 50 are performed independently. Becomes possible. In particular, in the fuel cell 20, the temperature of the power generation unit 50 and the amount of moisture remaining in the power generation unit 50 are measured, and the air supply fans 62 and 63 and the cooling fan 61 are independently driven according to the measured values. For example, stable power generation can be performed without causing a problem during power generation such as dry-up.
[0062]
The hydrogen purge valve 64 discharges the fuel exhaust gas having a reduced hydrogen concentration or an increased impurity concentration by opening the fuel gas flow path 5 formed in the separator 4 to the atmosphere, and furthermore, stays in the fuel gas flow path 5. Drain water. That is, in the fuel cell 20, when the fuel gas flow path 5 is opened to the atmosphere by opening the hydrogen purge valve 64, as described above, the supply of the hydrogen gas on the supply path side to the water retained in the fuel gas flow path 5 is performed. A pressure difference occurs between the pressure and the pressure on the discharge side that is open to the atmosphere, and the water remaining in the fuel gas flow path 5 is discharged by the pressure difference.
[0063]
As described above, in the fuel cell 20, when the power generation unit 50 has a stack structure, a pressure difference is generated between the side of supplying hydrogen gas and the side of water discharged to the atmosphere by the hydrogen purge valve 64. Even in this case, it is possible to discharge water from the fuel gas passage 5 where the hydrogen gas is difficult to flow due to the influence of the staying water, and it is possible to smoothly flow the hydrogen gas through the fuel gas passage 5.
[0064]
In the fuel cell 20, the hydrogen purge valve 64 may be driven by a driving method using, for example, an electromagnetic force, and the power for driving the hydrogen purge valve 64 may be supplied from the power generation unit 50. You may.
[0065]
The regulator 65 controls the pressure of the hydrogen gas supplied from the hydrogen storage cartridge 70, adjusts the pressure of the hydrogen gas to a predetermined pressure, and supplies the hydrogen gas to the power generation unit 50. For example, when the pressure of the hydrogen gas supplied from the hydrogen storage cartridge 70 is, for example, about 0.8 MPa to 1.0 MPa, the regulator 65 raises the pressure of the hydrogen gas to, for example, about 0.05 MPa to 0.10 MPa. The pressure is reduced to a pressure and supplied to the power generation unit 50.
[0066]
The manual valve 66 is provided for supplying hydrogen gas to the power generation unit 50. When the power generation unit 50 performs power generation, a flow path for supplying hydrogen gas from the hydrogen storage cartridge 70 to the power generation unit 50 is provided. To release.
[0067]
In the fuel cell 20 including such components, a region for disposing the cooling fan 61, the air supply fans 62 and 63, the hydrogen purge valve 64, the regulator 65, and the manual valve 66 is secured around the power generation unit 50. In addition, various members for driving the fuel cell 20 can be housed in the housing 30 in a compact manner, so that the fuel cell 20 can be significantly reduced in size.
[0068]
Therefore, the fuel cell 20 having the above configuration can be used with any electronic device including various types of portable electronic devices such as, for example, a notebook personal computer, a mobile phone, or a personal digital assistant (PDA). It can be used very suitably as a power supply for supplying electric power for driving.
[0069]
Further, in the above-described fuel cell, since the fuel cell separator 4 in which the flow passage cross-sectional areas of the oxidizing gas flow passage 10 on the air inlet side and the outlet side are enlarged is used, the air supply fan 62 , 63 can be reduced, and the overall power generation efficiency of the fuel cell can be improved. Further, since the oxidizing gas is efficiently supplied, the air supply fans 62 and 63 can be downsized, and the volume output density of the fuel cell can be improved. Further, the number of rotations of the air supply fans 62 and 63 can be reduced, and the silent operation of the fuel cell is possible. Furthermore, since the flow rate of the air as the oxidizing gas increases, there is an advantage that the cooling effect is improved.
[0070]
【The invention's effect】
As is clear from the above description, according to the fuel cell separator of the present invention, it is possible to efficiently take in the oxidizing gas. Therefore, in the fuel cell using such a separator, the overall power generation efficiency can be improved, the volume output density can be improved, and furthermore, the silent operation can be performed.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an exploded schematic perspective view showing a power generation portion of a fuel cell.
FIG. 2 is a schematic plan view of a fuel gas flow path forming surface of a fuel cell separator.
FIGS. 3A and 3B are enlarged cross-sectional views each showing a part of a fuel cell separator, wherein FIG. 3A shows the vicinity of an inlet, and FIG. 3B shows the vicinity of an outlet.
FIG. 4 is a schematic plan view of an oxidizing gas flow path forming surface of a fuel cell separator.
FIG. 5 is a schematic perspective view of an oxidizing gas flow path forming surface of a fuel cell separator.
FIG. 6 is a characteristic diagram showing the relationship between the static pressure Ps of the oxidizing gas and the flow rate Q when the cross-sectional area of the oxidizing gas flow path is increased by providing a taper in the oxidizing gas flow path.
FIG. 7 is an exploded perspective view showing a structural example of a fuel cell.
8A and 8B are diagrams showing a structure of a casing constituting the fuel cell, wherein FIG. 8A is a side view of one side, FIG. 8B is a side view of the opposite side, FIG. 8C is an end view, d) is an end view showing the other end face.
FIG. 9 is a perspective view showing a schematic configuration of a power generation unit constituting the fuel cell.
FIG. 10 is an exploded perspective view showing a part of a power generation unit constituting the fuel cell.
FIG. 11 is a plan view showing the structure of a fuel cell.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Electrolyte membrane 2, 3 Electrode 4 Separator 5 Fuel gas flow path 6 Fuel supply hole 7 Fuel discharge hole 8 Inlet 9 Outlet 10 Oxidant gas flow path 10a Inclined surface 11 Rib 11a Inclined surface 12 Fuel supply passage 13 Exhaust passage

Claims

一方の面の燃料ガス流路を有するとともに、他方の面に酸化剤ガス流路を有し、
上記酸化剤ガス流路は、酸化剤ガスの入口側において流路断面積が拡大され流路抵抗が低減されていることを特徴とする燃料電池用セパレータ。While having a fuel gas flow path on one side, having an oxidizing gas flow path on the other side,
The fuel cell separator according to claim 1, wherein the oxidizing gas flow path has an enlarged flow path cross-sectional area on the oxidizing gas inlet side and reduced flow path resistance.

上記酸化剤ガス流路として複数の溝がリブを挟んで互いに平行に配列形成されており、
上記リブは、酸化剤ガスの入口側において次第に幅が狭くなるように形成され、酸化剤ガス流路である各溝の溝幅が酸化剤ガス入口側に向かって拡大されていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池用セパレータ。A plurality of grooves are arranged and formed in parallel with each other across the rib as the oxidant gas flow path,
The rib is formed so that the width thereof is gradually reduced on the inlet side of the oxidizing gas, and the groove width of each groove serving as the oxidizing gas flow path is increased toward the oxidizing gas inlet side. The fuel cell separator according to claim 1, wherein

上記酸化剤ガス流路としての各溝は、底面が酸化剤ガス入口側において酸化剤ガス入口に向かう傾斜面とされ、酸化剤ガス流路である各溝の溝深さが酸化剤ガス入口側に向かって拡大されていることを特徴とする請求項２記載の燃料電池用セパレータ。Each groove as the oxidant gas flow path has a bottom surface inclined toward the oxidant gas inlet on the oxidant gas inlet side, and the groove depth of each groove serving as the oxidant gas flow path is on the oxidant gas inlet side. The fuel cell separator according to claim 2, wherein the separator is expanded toward.

上記酸化剤ガス流路の酸化剤ガス入口側のエッジ部にＲ面取り加工が施されていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池用セパレータ。2. The fuel cell separator according to claim 1, wherein an edge of the oxidizing gas passage on the oxidizing gas inlet side is rounded.

上記酸化剤ガス流路には、流路抵抗を小さくするための表面処理が施されていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池用セパレータ。2. The fuel cell separator according to claim 1, wherein the oxidant gas flow path is subjected to a surface treatment for reducing flow path resistance.

上記表面処理は、機械的な加工による粗面化処理であることを特徴とする請求項５記載の燃料電池用セパレータ。The fuel cell separator according to claim 5, wherein the surface treatment is a roughening treatment by mechanical processing.

上記表面処理は、化学的な加工による粗面化処理であることを特徴とする請求項５記載の燃料電池用セパレータ。The fuel cell separator according to claim 5, wherein the surface treatment is a surface roughening treatment by chemical processing.

上記表面処理として、突起の形成又は溝加工が行われていることを特徴とする請求項５記載の燃料電池用セパレータ。6. The fuel cell separator according to claim 5, wherein a projection is formed or a groove is formed as the surface treatment.

上記酸化剤ガス流路は、酸化剤ガスの出口側においても流路断面積が拡大され流路抵抗が低減されていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池用セパレータ。2. The fuel cell separator according to claim 1, wherein the oxidizing gas flow path has a cross-sectional area of the flow path enlarged at the outlet side of the oxidizing gas to reduce flow resistance.

イオン伝導性を有するイオン伝導体と当該イオン伝導体を挟んで対峙する電極とを備える接合体と、上記接合体を挟装するセパレータとを有するとともに、これら接合体とセパレータとが積層されたスタック構造を有し、上記セパレータは、一方の面の燃料ガス流路を有するとともに、他方の面に酸化剤ガス流路を有し、上記酸化剤ガス流路は、酸化剤ガスの入口側において流路断面積が拡大され流路抵抗が低減されていることを特徴とする燃料電池。A stack comprising an ion conductor having ion conductivity and electrodes facing each other with the ion conductor interposed therebetween, and a separator sandwiching the junction, and a stack in which these junctions and the separator are stacked The separator has a fuel gas flow path on one surface and an oxidizing gas flow path on the other surface, and the oxidizing gas flow path is formed on the inlet side of the oxidizing gas. A fuel cell characterized in that a road cross-sectional area is enlarged and flow path resistance is reduced.

上記酸化剤ガス流路に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給機を備えることを特徴とする請求項１０記載の燃料電池。The fuel cell according to claim 10, further comprising an oxidizing gas supply device that supplies an oxidizing gas to the oxidizing gas flow path.

上記酸化剤ガス供給機は、ファンまたはポンプであることを特徴とする請求項１１記載の燃料電池。The fuel cell according to claim 11, wherein the oxidant gas supply device is a fan or a pump.