JP2007194074A - 燃料電池 - Google Patents
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Abstract
【課題】燃料電池スタックにおいて、アノード、または、カソードの表面に、少なくとも生成水が局所的に滞留することによる発電能力の低下を抑制する。
【解決手段】燃料電池スタックに用いられるセパレータを、アノード対向プレート42と、中間プレート43と、カソード対向プレート44とを重ね合わせて接合することによって構成する。そして、アノード対向プレート42に、プレート面について、二次元的に分散して配置された複数の水素供給口422iを設ける。
【選択図】図2
【解決手段】燃料電池スタックに用いられるセパレータを、アノード対向プレート42と、中間プレート43と、カソード対向プレート44とを重ね合わせて接合することによって構成する。そして、アノード対向プレート42に、プレート面について、二次元的に分散して配置された複数の水素供給口422iを設ける。
【選択図】図2
Description
本発明は、燃料電池に関し、詳しくは、プロトン伝導性を有する所定の電解質膜の両面に、それぞれアノード、および、カソードを配置した積層体を、セパレータを介在させて、複数積層させたスタック構造を有する燃料電池に関するものである。
水素と酸素との電気化学反応によって発電する燃料電池がエネルギ源として注目されている。この燃料電池には、プロトン伝導性を有する電解質膜の両面に、それぞれアノード(水素極)とカソード(酸素極)とを配置した膜電極接合体とセパレータとを交互に積層させたスタック構造を有するものがある(以下、このようなスタック構造を有する燃料電池を、燃料電池スタックとも呼ぶ)。
このような燃料電池スタックに用いられるセパレータに関して、従来、種々の技術が提案されている。例えば、下記特許文献1には、アノードに対向する燃料ガスプレートと、カソードに対向する酸化剤ガスプレートと、これらのプレートに挟持される中間プレートとを備えるセパレータに関する技術が記載されている。この技術において、各プレートには、燃料電池に燃料ガスや、酸化剤ガスを供給したり、燃料電池を冷却する冷却媒体を流したりするための構造が備えられている。そして、燃料ガス、および、酸化剤ガスは、それぞれアノード、および、カソードの周縁の一部からアノード、および、カソードに供給され、アノード、および、カソードの表面のほぼ全体に行き渡るように供給される。
ところで、燃料電池では、発電時に、水素と酸素との電気化学反応によって、水(生成水)が生成される。この生成水は、通常、排出ガスとともに外部に排出される。しかし、生成水がアノード、または、カソードの表面において局所的に滞留し、燃料ガス(水素)や、酸化剤ガス(酸素)の流路の一部が閉塞されると、そのガスがアノード、または、カソードの全体に均一に供給されなくなり、燃料電池の発電能力が低下する場合があった。このような不具合は、生成水の局所的な滞留に限らず、上記電気化学反応、すなわち、発電に供されないガス(例えば、酸化剤ガスとして酸素を含む空気を利用する場合の空気中の窒素等)が、アノード、または、カソードの表面において局所的に滞留した場合にも同様に生じ得た。
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、燃料電池スタックにおいて、アノード、または、カソードの表面に、少なくとも生成水が局所的に滞留することによる発電能力の低下を抑制することを目的とする。
上述の課題の少なくとも一部を解決するため、本発明では、以下の構成を採用した。
本発明の燃料電池は、
プロトン伝導性を有する所定の電解質膜の両面に、それぞれアノード、および、カソードを配置した積層体を、セパレータを介在させて、複数積層させたスタック構造を有する燃料電池であって、
前記セパレータは、
前記積層体のアノードに対向するアノード対向プレートと、
前記積層体のカソードに対向するカソード対向プレートと、
前記アノード対向プレートと、前記カソード対向プレートとによって挟持される中間プレートと、を備え、
前記アノード対向プレート、および、前記カソード対向プレートの少なくとも一方は、該プレートの厚さ方向に貫通し、前記積層体の表面に対して垂直な方向から、所定の反応ガスを前記積層体の表面に供給するための複数の反応ガス供給口を備え、
前記中間プレートは、前記アノード対向プレートと、前記カソード対向プレートとによって挟持されることによって、前記反応ガスを前記複数の反応ガス供給口のそれぞれに供給するための反応ガス供給流路を形成する反応ガス供給流路形成部を備え、
前記複数の反応ガス供給口は、該複数の反応ガス供給口を備えるプレートのプレート面について、二次元的に分散させて配置されていることを要旨とする。
本発明の燃料電池は、
プロトン伝導性を有する所定の電解質膜の両面に、それぞれアノード、および、カソードを配置した積層体を、セパレータを介在させて、複数積層させたスタック構造を有する燃料電池であって、
前記セパレータは、
前記積層体のアノードに対向するアノード対向プレートと、
前記積層体のカソードに対向するカソード対向プレートと、
前記アノード対向プレートと、前記カソード対向プレートとによって挟持される中間プレートと、を備え、
前記アノード対向プレート、および、前記カソード対向プレートの少なくとも一方は、該プレートの厚さ方向に貫通し、前記積層体の表面に対して垂直な方向から、所定の反応ガスを前記積層体の表面に供給するための複数の反応ガス供給口を備え、
前記中間プレートは、前記アノード対向プレートと、前記カソード対向プレートとによって挟持されることによって、前記反応ガスを前記複数の反応ガス供給口のそれぞれに供給するための反応ガス供給流路を形成する反応ガス供給流路形成部を備え、
前記複数の反応ガス供給口は、該複数の反応ガス供給口を備えるプレートのプレート面について、二次元的に分散させて配置されていることを要旨とする。
ここで、「所定の反応ガス」とは、上記積層体、すなわち、膜電極接合体に配置されたアノード、および、カソードのそれぞれに供給される燃料ガス、および、酸化剤ガスである。
本発明によって、燃料電池スタックの積層体の表面、すなわち、膜電極接合体のアノード、および、カソードの少なくとも一方の表面に、複数の反応ガス供給口から対応する反応ガスを二次元的に分散させて供給することができる。したがって、発電によって生成された生成水が、アノード、および、カソードの少なくとも一方の表面において、局所的に滞留し、反応ガスの流路が閉塞されることを抑制することができる。さらに、発電に供されないガスが、アノード、および、カソードの少なくとも一方の表面において、局所的に滞留し、反応ガスの流路が閉塞されることも抑制することができる。この結果、先に説明した燃料電池スタックの発電能力の低下を抑制することができる。
上記燃料電池において、複数の反応ガス供給口の形状や、開口面積や、配置は、任意に設定可能であり、
前記複数の反応ガス供給口は、例えば、略等間隔の位置に形成されているようにしてもよい。
前記複数の反応ガス供給口は、例えば、略等間隔の位置に形成されているようにしてもよい。
こうすることによって、積層体のアノード、および、カソードの少なくとも一方の表面全体に、面内分布を均一化して、対応する反応ガスを二次元的に分散させて供給するようにすることができる。この結果、効率よく発電することができる。
上記燃料電池において、
前記複数の反応ガス供給口の開口面積は、前記反応ガス供給流路の下流側から前記反応ガスが供給される反応ガス供給口ほど広くすることが好ましい。
前記複数の反応ガス供給口の開口面積は、前記反応ガス供給流路の下流側から前記反応ガスが供給される反応ガス供給口ほど広くすることが好ましい。
開口面積が略同一である複数の反応ガス供給口が、反応ガス供給流路を流れる反応ガスの上流から下流にかけて略等間隔に配置されていて、積層体のアノード、および、カソードの少なくとも一方の表面に反応ガスを供給する場合、その供給圧力は、反応ガスの下流側ほど低くなる。そして、この場合、各反応ガス供給口から供給される反応ガスの単位時間当たりの供給量は、反応ガスの下流側ほど少なくなる。
本発明では、反応ガスの下流側ほど反応ガス供給口の開口面積を広くするので、各反応ガス供給口から供給される反応ガスの単位時間当たりの供給量を均一化することができる。この結果、さらに効率よく発電することができる。
また、本発明の燃料電池において、
前記複数の反応ガス供給口の開口面積を略同一とし、
前記複数の反応ガス供給口の形成間隔は、前記反応ガス供給流路の下流側から前記反応ガスが供給される反応ガス供給口ほど密であるようにしてもよい。
前記複数の反応ガス供給口の開口面積を略同一とし、
前記複数の反応ガス供給口の形成間隔は、前記反応ガス供給流路の下流側から前記反応ガスが供給される反応ガス供給口ほど密であるようにしてもよい。
こうすることによって、反応ガスの下流において、反応ガスの供給圧力が低い場合でも、アノード、およびカソードの少なくとも一方の表面への反応ガスの供給量の面内分布を均一化することができ、効率よく発電することができる。
上記いずれかの燃料電池において、
前記中間プレートは、さらに、前記アノード対向プレートと、前記カソード対向プレートとによって挟持されることによって、前記燃料電池を冷却するための冷却媒体を流すための冷却媒体流路を形成する冷却媒体流路形成部を備えるようにすることが好ましい。
前記中間プレートは、さらに、前記アノード対向プレートと、前記カソード対向プレートとによって挟持されることによって、前記燃料電池を冷却するための冷却媒体を流すための冷却媒体流路を形成する冷却媒体流路形成部を備えるようにすることが好ましい。
こうすることによって、冷却媒体流路をさらに別の部材を用いて形成するよりも、セパレータの厚さを薄くすることができる。この結果、燃料電池スタックを小型化することができる。
上記燃料電池において、複数の中間プレートを用意し、それぞれ中間プレートに反応ガス供給流路形成部、および、冷却媒体流路形成部を別々に備えるようにしてもよいが、
単一の前記中間プレートが、前記反応ガス供給流路形成部、および、前記冷却媒体流路形成部をともに備えているようにすることが好ましい。
単一の前記中間プレートが、前記反応ガス供給流路形成部、および、前記冷却媒体流路形成部をともに備えているようにすることが好ましい。
こうすることによって、反応ガス供給流路形成部と、冷却媒体流路形成部とを別部材で形成するよりも、セパレータを構成する部品点数を少なくすることができる。さらに、燃料電池を小型化することができる。
上記いずれかの燃料電池において、
前記アノード対向プレートと、前記カソード対向プレートとのうちの前記複数の反応ガス供給口を有する少なくとも一方は、さらに、該プレートの厚さ方向に貫通し、前記複数の反応ガス供給口から供給された前記反応ガスのうちの発電に利用されなかった残余のガスである排気ガスを、前記積層体の表面に対して垂直な方向に排出するための排気ガス排出口を備え、
前記中間プレートは、さらに、前記アノード対向プレートと、前記カソード対向プレートとによって挟持されることによって、前記排気ガス排出口から前記排気ガスを外部に排出するための排気ガス排出流路を形成する排気ガス排出流路形成部を備えるようにしてもよい。
前記アノード対向プレートと、前記カソード対向プレートとのうちの前記複数の反応ガス供給口を有する少なくとも一方は、さらに、該プレートの厚さ方向に貫通し、前記複数の反応ガス供給口から供給された前記反応ガスのうちの発電に利用されなかった残余のガスである排気ガスを、前記積層体の表面に対して垂直な方向に排出するための排気ガス排出口を備え、
前記中間プレートは、さらに、前記アノード対向プレートと、前記カソード対向プレートとによって挟持されることによって、前記排気ガス排出口から前記排気ガスを外部に排出するための排気ガス排出流路を形成する排気ガス排出流路形成部を備えるようにしてもよい。
こうすることによって、発電で未消費の反応ガスや、発電に供されないガスを外部に排出することができる。
上記燃料電池において、
前記複数の反応ガス供給口は、前記アノード対向プレートに備えられており、
少なくとも発電中には、前記アノード対向プレートにおける前記ガス排出口から外部に、前記排気ガスは排出されないようにしてもよい。
前記複数の反応ガス供給口は、前記アノード対向プレートに備えられており、
少なくとも発電中には、前記アノード対向プレートにおける前記ガス排出口から外部に、前記排気ガスは排出されないようにしてもよい。
こうすることによって、アノードに供給した燃料ガスを、少なくとも発電中には外部に排出せずに、ほぼ全てを消費するようにすることができるので、燃料ガスを効率よく利用することができる。
また、本発明の燃料電池において、
前記アノード対向プレートが、前記複数の反応ガス供給口を備え、
該複数の反応ガス供給口から供給された前記反応ガスは、外部に排出されることなく発電に利用されるようにしてもよい。アノード対向プレートが、上述した複数のガス供給口を備えるが、ガス排出口を備えない態様である。
前記アノード対向プレートが、前記複数の反応ガス供給口を備え、
該複数の反応ガス供給口から供給された前記反応ガスは、外部に排出されることなく発電に利用されるようにしてもよい。アノード対向プレートが、上述した複数のガス供給口を備えるが、ガス排出口を備えない態様である。
こうすることによって、アノードに供給した燃料ガスを全て発電に利用するようにすることができるので、燃料ガスを効率よく利用することができる。
上記いずれかの燃料電池において、
前記アノード対向プレートと、前記カソード対向プレートと、前記中間プレートは、それぞれ平板状の部材からなるものとすることが好ましい。
前記アノード対向プレートと、前記カソード対向プレートと、前記中間プレートは、それぞれ平板状の部材からなるものとすることが好ましい。
こうすることによって、アノード対向プレートと、カソード対向プレートと、中間プレートの加工を容易に行うことができる。
上記いずれかの燃料電池において、
前記積層体は、該積層体の少なくともカソード側の面に、該面に沿った方向に拡散させつつ、前記反応ガスを流すための多孔体からなるガス拡散層を備えるようにしてもよい。
前記積層体は、該積層体の少なくともカソード側の面に、該面に沿った方向に拡散させつつ、前記反応ガスを流すための多孔体からなるガス拡散層を備えるようにしてもよい。
こうすることによって、少なくともカソードの全面に反応ガスを効率よく拡散させて供給することができる。
本発明は、上述の燃料電池としての構成の他、この燃料電池を備える燃料電池システムの発明として構成することもできる。
以下、本発明の実施の形態について、実施例に基づき以下の順序で説明する。
A.第1実施例:
A1.燃料電池システムの構成:
A2.燃料電池モジュールの構成:
B.第2実施例:
C.第3実施例:
D.第4実施例:
E.変形例:
A.第1実施例:
A1.燃料電池システムの構成:
A2.燃料電池モジュールの構成:
B.第2実施例:
C.第3実施例:
D.第4実施例:
E.変形例:
A.第1実施例:
A1.燃料電池システムの構成:
図1は、本発明の第1実施例としての燃料電池スタック100を備える燃料電池システム1000の概略構成を示す説明図である。
A1.燃料電池システムの構成:
図1は、本発明の第1実施例としての燃料電池スタック100を備える燃料電池システム1000の概略構成を示す説明図である。
燃料電池スタック100は、水素と酸素との電気化学反応によって発電するセルを、セパレータを介在させて、複数積層させたスタック構造を有している。各セルは、後述するように、プロトン伝導性を有する電解質膜を挟んで、アノードと、カソードとを配置した構成となっている。本実施例では、電解質膜として、固体高分子膜を用いるものとした。また、本実施例では、セパレータは、後述するように、3枚の金属製の平板に、それぞれ複数の貫通孔を設け、これらを重ね合わせて接合することによって、アノードに供給すべき燃料ガスとしての水素の流路や、カソードに供給すべき酸化剤ガスとしての空気の流路や、冷却水の流路が形成されている。なお、セルの積層数は、燃料電池スタック100に要求される出力に応じて任意に設定可能である。
燃料電池スタック100は、一端から、エンドプレート10、絶縁板20、集電板30、複数の燃料電池モジュール40、集電板30、絶縁板20、エンドプレート10の順に積層することによって構成されている。これらには、燃料電池スタック100内に、水素や、空気や、冷却水を流すための供給口や、排出口が設けられている。そして、燃料電池モジュール40は、後述するように、セパレータ41と、電解質膜等を備えるMEAユニット45とによって構成されている。この燃料電池モジュール40、および、MEAユニット45については、後に詳述する。
エンドプレート10は、剛性を確保するため、鋼等の金属によって形成されている。絶縁板20は、ゴムや、樹脂等の絶縁性部材によって形成されている。集電板30は、緻密質カーボンや、銅板などのガス不透過な導電性部材によって形成されている。集電板30には、それぞれ図示しない出力端子が設けられており、燃料電池スタック100で発電した電力を出力可能となっている。
なお、図示は省略しているが、燃料電池スタック100には、スタック構造のいずれかの箇所における接触抵抗の増加等による電池性能の低下を抑制したり、ガスの漏洩を抑制したりするために、スタック構造の積層方向に、押圧力が加えられている。
燃料電池スタック100のアノードには、配管53を介して、高圧水素を貯蔵した水素タンク50から、燃料ガスとしての水素が供給される。水素タンク50の代わりに、アルコール、炭化水素、アルデヒドなどを原料とする改質反応によって水素を生成し、アノードに供給するものとしてもよい。
水素タンク50に貯蔵された高圧水素は、水素タンク50の出口に設けられたシャットバルブ51、レギュレータ52によって圧力、および、供給量が調整されて、アノードに供給される。なお、この燃料電池システム1000は、燃料電池スタック100のアノードに供給した水素を、発電を行うために全て消費するタイプのシステムであり、アノードからの排気ガス(以下、アノードオフガスと呼ぶ)を外部に排出するための配管は備えていない。こうすることによって、燃料ガスを効率よく利用することができる。
燃料電池スタック100のカソードには、配管61を介して、コンプレッサ60によって圧縮された圧縮空気が、酸素を含有した酸化剤ガスとして供給される。そして、カソードからの排気ガス(以下、カソードオフガスと呼ぶ)は、配管62を介して、外部に排出される。配管62には、カソードオフガスとともに、燃料電池スタック100のカソードで、水素と酸素との電気化学反応によって生成された生成水も排出される。
燃料電池スタック100には、燃料電池スタック100を冷却するための冷却水も供給される。この冷却水は、ポンプ70によって、配管72を流れ、ラジエータ71によって冷却されて、燃料電池スタック100に供給される。
A2.燃料電池モジュールの構成:
図2は、燃料電池モジュール40の構成部品の平面図である。先に説明したように、燃料電池モジュール40は、セパレータ41と、MEAユニット45とを重ね合わせることによって構成されている。そして、セパレータ41は、それぞれ複数の貫通孔が設けられた3枚の平板、すなわち、アノード対向プレート42と、中間プレート43と、カソード対向プレート44とを、この順に重ね合わせ、ホットプレス接合することによって作製されている。本実施例では、アノード対向プレート42と、中間プレート43と、カソード対向プレート44とは、同一の四角形の形状を有するステンレス鋼製の平板を用いるものとした。アノード対向プレート42と、中間プレート43と、カソード対向プレート44として、ステンレス鋼の代わりに、チタンやアルミニウム等、他の金属を用いるものとしてもよい。なお、これらの各プレートは、後述するように、冷却水に晒されるので、耐食性の高い金属を用いることが好ましい。
図2は、燃料電池モジュール40の構成部品の平面図である。先に説明したように、燃料電池モジュール40は、セパレータ41と、MEAユニット45とを重ね合わせることによって構成されている。そして、セパレータ41は、それぞれ複数の貫通孔が設けられた3枚の平板、すなわち、アノード対向プレート42と、中間プレート43と、カソード対向プレート44とを、この順に重ね合わせ、ホットプレス接合することによって作製されている。本実施例では、アノード対向プレート42と、中間プレート43と、カソード対向プレート44とは、同一の四角形の形状を有するステンレス鋼製の平板を用いるものとした。アノード対向プレート42と、中間プレート43と、カソード対向プレート44として、ステンレス鋼の代わりに、チタンやアルミニウム等、他の金属を用いるものとしてもよい。なお、これらの各プレートは、後述するように、冷却水に晒されるので、耐食性の高い金属を用いることが好ましい。
図2(a)は、MEAユニット45のアノード側の面と当接するアノード対向プレート42の平面図である。図示するように、アノード対向プレート42は、水素供給用貫通孔422aと、複数の水素供給口422iと、空気供給用貫通孔424aと、空気排出用貫通孔424bと、冷却水供給用貫通孔426aと、冷却水排出用貫通孔426bとを備えている。本実施例では、水素供給用貫通孔422aと、空気供給用貫通孔424aと、空気排出用貫通孔424bと、冷却水供給用貫通孔426aと、冷却水排出用貫通孔426bとは、ほぼ矩形であるものとした。これらの形状や、大きさや、配置位置は、任意に設定可能である。また、複数の水素供給口422iは、直径が同一の円形であるものとした。そして、複数の水素供給口422iは、MEAユニット45のアノードの全面に、面内分布を均一化して水素を供給可能なように、MEAユニット45のMEA部451と対向する領域に、二次元的に分散させて、ほぼ等間隔に配置されている。
図2(b)は、MEAユニット45のカソード側の面と当接するカソード対向プレート44の平面図である。図示するように、カソード対向プレート44は、水素供給用貫通孔442aと、空気供給用貫通孔444aと、複数の空気供給口444iと、複数の空気排出口444oと、空気排出用貫通孔444bと、冷却水供給用貫通孔446aと、冷却水排出用貫通孔446bとを備えている。水素供給用貫通孔442aと、空気供給用貫通孔444aと、空気排出用貫通孔444bと、冷却水供給用貫通孔446aと、冷却水排出用貫通孔446bとは、アノード対向プレート42と同様に、ほぼ矩形であるものとした。また、複数の空気供給口444iと、複数の空気排出口444oとは、直径が同一の円形であるものとした。そして、複数の空気供給口444i、および、複数の空気排出口444oは、それぞれ空気供給用貫通孔444a、および、空気排出用貫通孔444bに近いMEAユニット45のカソードの周縁部から空気の供給、および、カソードオフガスの排出を行うことができるように配置されている。
図2(c)は、中間プレート43の平面図である。図示するように、中間プレート43は、水素供給用貫通孔432aと、空気供給用貫通孔434aと、空気排出用貫通孔434bと、冷却水供給用貫通孔436aと、冷却水排出用貫通孔436bとを備えている。水素供給用貫通孔432aと、空気供給用貫通孔434aと、空気排出用貫通孔434bと、冷却水供給用貫通孔436aと、冷却水排出用貫通孔436bとは、アノード対向プレート42や、カソード対向プレート44と同様に、ほぼ矩形であるものとした。そして、水素供給用貫通孔432aには、水素供給用貫通孔432aからアノード対向プレート42の複数の水素供給口422iに、それぞれ水素を流すための複数の水素供給用流路形成部432pが設けられている。また、空気供給用貫通孔434aには、空気供給用貫通孔434aからカソード対向プレート44の複数の空気供給口444iに、それぞれ空気を流すための複数の空気供給用流路形成部434piが設けられている。また、空気排出用貫通孔434bには、カソード対向プレート44の複数の空気排出口444oから空気排出用貫通孔434bにカソードオフガスを流すための複数の空気排出用流路形成部434poが設けられている。また、図示するように、MEAユニット45の発熱部位全体を冷却するために、冷却水が複数の水素供給用流路形成部432pの間を蛇行して流れるように、冷却水供給用貫通孔436aと、冷却水排出用貫通孔436bとを接続する冷却水流路形成部436pが形成されている。
図2(d)は、MEAユニット45のカソード側から見た平面図である。また、図3は、MEAユニット45のMEA部451の断面図である。
MEAユニット45の中央に配置されているMEA部451は、図3に示したように、電解質膜46の一方(カソード側)の面に、カソード用触媒層47cと、カソード用拡散層48cとをこの順に積層させ、他方(アノード側)の面に、アノード用触媒層47aと、アノード用拡散層48aとを、この順にそれぞれ積層させた膜電極積層体である。本実施例では、アノード用拡散層48a、および、カソード用拡散層48cとして、カーボン多孔体を用いるものとした。さらに、本実施例では、MEA部451の両面に、セパレータ41と積層させたときに水素および空気を流すためのガス流路層として機能する金属多孔体層49がそれぞれ配置されている。カソード用拡散層48c、および、アノード用拡散層48aと、金属多孔体層49とを用いることによって、アノード、および、カソードの全面に、効率よく拡散させてガスを供給することができる。ガス流路層として、金属多孔体の代わりに、カーボン等、導電性、および、ガス拡散性を有する他の部材を用いるようにしてもよい。
そして、MEAユニット45は、このMEA部451を、シリコーンゴム製のフレームによって支持したものである。シリコーンゴムの代わりに、ガス不透過性、弾力性、耐熱性を有する他の部材を用いるものとしてもよい。なお、図示は省略するが、フレームには、セパレータ41との積層時に、ガスや、冷却水の漏れを防止するためのシール構造が一体的に形成されている。このフレームは、例えば、射出成形によって形成される。
図2(d)に示したように、MEAユニット45は、MEA部451と、フレームに設けられた水素供給用貫通孔452aと、空気供給用貫通孔454aと、空気排出用貫通孔454bと、冷却水供給用貫通孔456aと、冷却水排出用貫通孔456bとを備えている。水素供給用貫通孔452aと、空気供給用貫通孔454aと、空気排出用貫通孔454bと、冷却水供給用貫通孔456aと、冷却水排出用貫通孔456bとは、アノード対向プレート42や、カソード対向プレート44や、中間プレート43と同様に、ほぼ矩形であるものとした。
図4は、セパレータ41の平面図である。セパレータ41は、先に説明したように、アノード対向プレート42と、中間プレート43と、カソード対向プレート44とを接合することによって形成されている。ここでは、アノード対向プレート42側から見た様子を示した。
図から分かるように、アノード対向プレート42と、中間プレート43と、カソード対向プレート44において、水素供給用貫通孔422aと、水素供給用貫通孔432aと、水素供給用貫通孔442aとは、同一形状であり、それぞれ同じ位置に形成されている。また、空気供給用貫通孔424aと、空気供給用貫通孔434aと、空気供給用貫通孔444aも、同一形状であり、それぞれ同じ位置に形成されている。また、空気排出用貫通孔424bと、空気排出用貫通孔434bと、空気排出用貫通孔444bも、同一形状であり、それぞれ同じ位置に形成されている。また、冷却水供給用貫通孔426aと、冷却水供給用貫通孔436aと、冷却水供給用貫通孔446aも、同一形状であり、それぞれ同じ位置に形成されている。また、冷却水排出用貫通孔426bと、冷却水排出用貫通孔436bと、冷却水排出用貫通孔446bも、同一形状であり、それぞれ同じ位置に形成されている。
図5は、燃料電池モジュール40の断面構造を示す説明図である。図5(a)には、図4におけるA−A断面図を示した。また、図5(b)には、図4におけるB−B断面図を示した。
MEAユニット45におけるMEA部451のアノード用拡散層48a側の金属多孔体層49は、MEAユニット45と、セパレータ41とを積層させたときに、セパレータ41のアノード対向プレート42と当接するように配置されている。また、カソード用拡散層48c側の金属多孔体層49は、MEAユニット45と、セパレータ41とを積層させたときに、セパレータ41のカソード対向プレート44と当接するように配置されている。
図5(a)の図中に矢印で示したように、燃料電池モジュール40において、カソード対向プレート44の水素供給用貫通孔442a、中間プレート43の水素供給用貫通孔432a、アノード対向プレート42の水素供給用貫通孔422aを流れる水素は、中間プレート43の水素供給用貫通孔432aから分岐して、水素供給用流路形成部432pを通り、アノード対向プレート42の複数の水素供給口422iから、アノード側の金属多孔体層49に流れ、アノード用拡散層48aの全面に分散して供給される。
また、図5(b)の図中に矢印で示したように、燃料電池モジュール40において、アノード対向プレート42の空気供給用貫通孔424a、中間プレート43の空気供給用貫通孔434a、カソード対向プレート44の空気供給用貫通孔444aを流れる空気は、中間プレート43の空気供給用貫通孔434aから分岐して、空気供給用流路形成部434piを通り、カソード対向プレート44の空気供給口444iから、カソード側の金属多孔体層49の表面に対して垂直な方向に供給される。そして、この空気は、金属多孔体層49、カソード用拡散層48c中を拡散しつつ流れ、カソードオフガスは、カソード対向プレート44の空気排出口444oから、金属多孔体層49の表面に対して垂直な方向に排出され、MEAユニット45の空気排出用流路形成部434po、および、空気排出用貫通孔434bを通って、アノード対向プレート42の空気排出用貫通孔424bから排出される。
また、図示は省略するが、アノード対向プレート42の冷却水供給用貫通孔426a、中間プレート43の冷却水供給用貫通孔436a、カソード対向プレート44の冷却水供給用貫通孔446aを流れる冷却水は、中間プレート43の冷却水供給用貫通孔436aから分岐して、冷却水流路形成部436pを通り、冷却水排出用貫通孔436bから排出される。
以上説明した第1実施例の燃料電池スタック100によれば、アノード対向プレート42にほぼ等間隔に配置され複数の水素供給口422iから、発電を行うMEA部451のアノードの表面に対して垂直な方向から、アノードのほぼ全面に二次元的に分散させて水素を供給することができる。したがって、カソード側からアノード側に電解質膜46を透過した生成水が、アノードの表面に局所的に滞留し、水素の流路が閉塞されることを抑制することができる。さらに、発電に供されない窒素等のガスが、カソード側からアノード側に透過して、アノードの表面に局所的に滞留し、水素の流路が閉塞されることも抑制することができる。この結果、燃料電池スタック100の発電能力の低下を抑制することができる。
第1実施例の燃料電池システム1000は、先に説明したように、燃料電池スタック100のアノードに供給した水素を、発電を行うために全て消費するタイプのシステムであり、アノードオフガスを外部に排出するための配管は備えていない。このため、本願発明を適用しない場合には、先に説明したように、カソード側から透過した発電に供されない窒素等のガスがアノードの表面に局所的に滞留しやすく、この滞留による燃料電池スタック100の発電能力の低下が顕著だった。燃料電池システム1000に第1実施例の燃料電池スタック100を適用することによって、上述したように、発電に供されない窒素等のガスがアノードの表面に局所的に滞留することを効果的に抑制することができるので、燃料電池スタック100の発電能力の低下を抑制する効果が高い。
また、本実施例では、中間プレート43に冷却水流路形成部436pを設けているので、冷却水を流すための構造を他の部材を用いて形成するよりも、セパレータの厚さを薄くすることができる、この結果、燃料電池スタックを小型化することができる。
さらに、水素供給用流路形成部432pや、空気供給用流路形成部434piや、空気排出用流路形成部434poや、冷却水流路形成部436pを、単一の部材を加工することによって、形成しているので、それぞれを別部材で形成するよりも、セパレータを構成する部品点数を少なくすることができる。
B.第2実施例:
第2実施例の燃料電池システムは、燃料電池スタックが第1実施例における燃料電池スタック100と異なること以外は、第1実施例の燃料電池システム1000と同じである。したがって、以下、第2実施例の燃料電池スタックについて説明する。
第2実施例の燃料電池システムは、燃料電池スタックが第1実施例における燃料電池スタック100と異なること以外は、第1実施例の燃料電池システム1000と同じである。したがって、以下、第2実施例の燃料電池スタックについて説明する。
図6は、第2実施例の燃料電池スタックにおける燃料電池モジュール40Aの構成部品の平面図である。第2実施例における燃料電池モジュール40Aも、第1実施例における燃料電池モジュール40と同様に、セパレータ41Aと、MEAユニット45Aとを重ね合わせることによって構成されている。そして、セパレータ41Aは、アノード対向プレート42Aと、中間プレート43Aと、カソード対向プレート44Aとを、この順に重ね合わせ、ホットプレス接合することによって作製されている。本実施例においても、アノード対向プレート42Aと、中間プレート43Aと、カソード対向プレート44Aとは、同一の四角形の形状を有するステンレス鋼製の平板を用いるものとした。
図6(a)は、MEAユニット45Aのアノード側の面と当接するアノード対向プレート42Aの平面図である。図示するように、アノード対向プレート42Aは、水素供給用貫通孔422Aaと、複数の水素供給口422Aiと、空気供給用貫通孔424Aaと、空気排出用貫通孔424Abと、冷却水供給用貫通孔426Aaと、冷却水排出用貫通孔426Abとを備えている。本実施例においても、水素供給用貫通孔422Aaと、空気供給用貫通孔424Aaと、空気排出用貫通孔424Abと、冷却水供給用貫通孔426Aaと、冷却水排出用貫通孔426Abとは、ほぼ矩形であるものとし、複数の水素供給口422Aiも、直径が同一の円形であるものとした。そして、複数の水素供給口422Aiは、第1実施例と同様に、MEAユニット45Aのアノードの全面に、面内分布を均一化して水素を供給可能なように、MEAユニット45AのMEA部451と対向する領域に、二次元的に分散させて、ほぼ等間隔に配置されている。
図6(b)は、MEAユニット45Aのカソード側の面と当接するカソード対向プレート44Aの平面図である。図示するように、カソード対向プレート44Aは、水素供給用貫通孔442Aaと、空気供給用貫通孔444Aaと、複数の空気供給口444Aiと、複数の空気排出口444Aoと、空気排出用貫通孔444Abと、冷却水供給用貫通孔446Aaと、冷却水排出用貫通孔446Abとを備えている。水素供給用貫通孔442Aaと、空気供給用貫通孔444Aaと、空気排出用貫通孔444Abと、冷却水供給用貫通孔446Aaと、冷却水排出用貫通孔446Abとは、アノード対向プレート42Aと同様に、ほぼ矩形であるものとし、複数の空気供給口444Ai、および、複数の空気排出口444Aoは、直径が同一の円形であるものとした。そして、複数の空気供給口444Aiは、MEAユニット45Aのカソードの全面に、面内分布を均一化して空気を供給可能なように、MEAユニット45AのMEA部451と対向する領域に、二次元的に分散させて、ほぼ等間隔に配置されている。また、複数の空気排出口444Aoは、空気排出用貫通孔444Abに近いMEAユニット45Aのカソードの周縁部からカソードオフガスの排出を行うことができるように配置されている。
図6(c)は、中間プレート43Aの平面図である。図示するように、中間プレート43Aは、水素供給用貫通孔432Aaと、空気供給用貫通孔434Aaと、空気排出用貫通孔434Abと、冷却水供給用貫通孔436Aaと、冷却水排出用貫通孔436Abとを備えている。水素供給用貫通孔432Aaと、空気供給用貫通孔434Aaと、空気排出用貫通孔434Abと、冷却水供給用貫通孔436Aaと、冷却水排出用貫通孔436Abとは、アノード対向プレート42Aや、カソード対向プレート44Aと同様に、ほぼ矩形であるものとした。そして、水素供給用貫通孔432Aaには、水素供給用貫通孔432Aaからアノード対向プレート42Aの複数の水素供給口422Aiに、それぞれ水素を流すための水素供給用流路形成部432Apが設けられている。また、空気供給用貫通孔434Aaには、空気供給用貫通孔434Aaからカソード対向プレート44Aの複数の空気供給口444Aiに、それぞれ空気を流すための複数の空気供給用流路形成部434Apiが設けられている。また、空気排出用貫通孔434Abには、カソード対向プレート44Aの複数の空気排出口444Aoから空気排出用貫通孔434Abにカソードオフガスを流すための複数の空気排出用流路形成部434Apoが設けられている。また、図示するように、MEAユニット45Aの発熱部位全体を冷却するために、冷却水が水素供給用流路形成部432Ap、および、複数の空気供給用流路形成部434piの間を蛇行して流れるように、冷却水供給用貫通孔436Aaと、冷却水排出用貫通孔436Abとを接続する冷却水流路形成部436Apが形成されている。
図6(d)は、MEAユニット45Aのカソード側から見た平面図である。図示するように、MEAユニット45Aは、MEA部451と、フレームに設けられた水素供給用貫通孔452Aaと、空気供給用貫通孔454Aaと、空気排出用貫通孔454Abと、冷却水供給用貫通孔456Aaと、冷却水排出用貫通孔456Abとを備えている。水素供給用貫通孔452Aaと、空気供給用貫通孔454Aaと、空気排出用貫通孔454Abと、冷却水供給用貫通孔456Aaと、冷却水排出用貫通孔456Abとは、アノード対向プレート42Aや、カソード対向プレート44Aや、中間プレート43Aと同様に、ほぼ矩形であるものとした。これ以外は、第1実施例におけるMEAユニット45と同じである。
図7は、セパレータ41Aの平面図である。セパレータ41Aは、第1実施例におけるセパレータ41と同様に、アノード対向プレート42Aと、中間プレート43Aと、カソード対向プレート44Aとを接合することによって形成されている。ここでは、アノード対向プレート42A側から見た様子を示した。
図から分かるように、アノード対向プレート42Aと、中間プレート43Aと、カソード対向プレート44Aにおいて、水素供給用貫通孔422Aaと、水素供給用貫通孔432Aaと、水素供給用貫通孔442Aaとは、同一形状であり、それぞれ同じ位置に形成されている。また、空気供給用貫通孔424Aaと、空気供給用貫通孔434Aaと、空気供給用貫通孔444Aaも、同一形状であり、それぞれ同じ位置に形成されている。また、空気排出用貫通孔424Abと、空気排出用貫通孔434Abと、空気排出用貫通孔444Abも、同一形状であり、それぞれ同じ位置に形成されている。また、冷却水供給用貫通孔426Aaと、冷却水供給用貫通孔436Aaと、冷却水供給用貫通孔446Aaも、同一形状であり、それぞれ同じ位置に形成されている。また、冷却水排出用貫通孔426Abと、冷却水排出用貫通孔436Abと、冷却水排出用貫通孔446Abも、同一形状であり、それぞれ同じ位置に形成されている。
図8は、燃料電池モジュール40Aの断面構造を示す説明図である。図8(a)には、図7におけるA−A断面図を示した。また、図8(b)には、図7におけるB−B断面図を示した。また、図8(c)には、図7におけるC−C断面図を示した。
図7、および、図8から分かるように、燃料電池モジュール40Aにおいて、カソード対向プレート44Aの水素供給用貫通孔442Aa、中間プレート43Aの水素供給用貫通孔432Aa、アノード対向プレート42Aの水素供給用貫通孔422Aaを流れる水素は、中間プレート43Aの水素供給用貫通孔432Aaから分岐して、水素供給用流路形成部432Apを通り、アノード対向プレート42Aの複数の水素供給口422Aiから、アノード側の金属多孔体層49に流れ、アノード用拡散層48aの全面に分散して供給される。
また、燃料電池モジュール40Aにおいて、アノード対向プレート42Aの空気供給用貫通孔424Aa、中間プレート43Aの空気供給用貫通孔434Aa、カソード対向プレート44Aの空気供給用貫通孔444Aaを流れる空気は、中間プレート43Aの空気供給用貫通孔434Aaから分岐して、空気供給用流路形成部434Apiを通り、カソード対向プレート44Aの複数の空気供給口444Aiから、カソード側の金属多孔体層49に流れ、カソード用拡散層48cの全面に分散して供給される。そして、この空気は、カソード用拡散層48c中を拡散しつつ流れ、カソードオフガスは、カソード対向プレート44Aの空気排出口444Aoから、金属多孔体層49の表面に対して垂直な方向に排出され、MEAユニット45Aの空気排出用流路形成部434Apo、および、空気排出用貫通孔434Abを通って、アノード対向プレート42Aの空気排出用貫通孔424Abから排出される。
また、アノード対向プレート42Aの冷却水供給用貫通孔426Aa、中間プレート43Aの冷却水供給用貫通孔436Aa、カソード対向プレート44Aの冷却水供給用貫通孔446Aaを流れる冷却水は、中間プレート43Aの冷却水供給用貫通孔436Aaから分岐して、冷却水流路形成部436Apを通り、冷却水排出用貫通孔436Abから排出される。
以上説明した第2実施例の燃料電池スタックによれば、アノード対向プレート42Aにほぼ等間隔に配置され複数の水素供給口422Aiから、発電を行うMEA部451のアノードの表面に対して垂直な方向から、アノードのほぼ全面に二次元的に分散させて水素を供給することができる。さらに、カソード対向プレート44Aにほぼ等間隔に配置され複数の空気供給口444Aiから、発電を行うMEA部451のカソードの表面に対して垂直な方向から、カソードのほぼ全面に二次元的に分散させて空気を供給することができる。したがって、燃料電池スタックのアノードにおいては、カソード側からアノード側に電解質膜46を透過した生成水や、発電に供されない窒素等のガスが、アノードの表面に局所的に滞留し、水素の流路が閉塞されることを抑制することができ、カソードにおいては、カソードで生成された生成水が、カソードの表面に局所的に滞留し、空気の流路が閉塞されることを抑制することができる。この結果、燃料電池スタックの発電能力の低下を抑制することができる。
C.第3実施例:
図9は、第3実施例としての燃料電池スタック100Bを備える燃料電池システム1000Bの概略構成を示す説明図である。この燃料電池システム1000Bは、第1実施例の燃料電池システム1000と異なり、燃料電池スタック100Bのアノードオフガスを外部に排出するための排出配管56と、アノードオフガスを水素供給用の配管53に再循環させるための循環配管54とを備えている。なお、排出配管56には、排気バルブ57が配設されており、循環配管54には、ポンプ55が配設されている。また、燃料電池スタック100Bは、後述するように、アノードオフガスを排出するための構造を備えている。ポンプ55、および、排気バルブ57の駆動を制御することによって、アノードオフガスを外部に排出するか、配管53に循環させるかを切り換えることができる。この他は、第1実施例の燃料電池システム1000と同じである。
図9は、第3実施例としての燃料電池スタック100Bを備える燃料電池システム1000Bの概略構成を示す説明図である。この燃料電池システム1000Bは、第1実施例の燃料電池システム1000と異なり、燃料電池スタック100Bのアノードオフガスを外部に排出するための排出配管56と、アノードオフガスを水素供給用の配管53に再循環させるための循環配管54とを備えている。なお、排出配管56には、排気バルブ57が配設されており、循環配管54には、ポンプ55が配設されている。また、燃料電池スタック100Bは、後述するように、アノードオフガスを排出するための構造を備えている。ポンプ55、および、排気バルブ57の駆動を制御することによって、アノードオフガスを外部に排出するか、配管53に循環させるかを切り換えることができる。この他は、第1実施例の燃料電池システム1000と同じである。
図10は、第3実施例の燃料電池スタック100Bにおける燃料電池モジュール40Bの構成部品の平面図である。第3実施例における燃料電池モジュール40Bも、第1実施例における燃料電池モジュール40と同様に、セパレータ41Bと、MEAユニット45Bとを重ね合わせることによって構成されている。そして、セパレータ41Bは、アノード対向プレート42Bと、中間プレート43Bと、カソード対向プレート44Bとを、この順に重ね合わせ、ホットプレス接合することによって作製されている。本実施例においても、アノード対向プレート42Bと、中間プレート43Bと、カソード対向プレート44Bとは、同一の四角形の形状を有するステンレス鋼製の平板を用いるものとした。
図10(a)は、MEAユニット45Bのアノード側の面と当接するアノード対向プレート42Bの平面図である。図示するように、アノード対向プレート42Bは、水素供給用貫通孔422Baと、複数の水素供給口422Biと、複数の水素排出口422Boと、水素排出用貫通孔422Bbと、空気供給用貫通孔424Baと、空気排出用貫通孔424Bbと、冷却水供給用貫通孔426Baと、冷却水排出用貫通孔426Bbとを備えている。水素供給用貫通孔422Baと、水素排出用貫通孔422Bbと、空気供給用貫通孔424Baと、空気排出用貫通孔424Bbと、冷却水供給用貫通孔426Baと、冷却水排出用貫通孔426Bbとは、ほぼ矩形であるものとした。また、複数の水素供給口422Bi、および、水素排出口422Boは、直径が同一の円形であるものとした。そして、複数の水素供給口422Biは、第1実施例と同様に、MEAユニット45Bのアノードの全面に面内分布を均一化して水素を供給可能なように、MEAユニット45BのMEA部451と対向する領域に、二次元的に分散させて、ほぼ等間隔に配置されている。また、複数の水素排出口422Boは、水素排出用貫通孔422Bbに近いMEAユニット45Bのアノードの周縁部からアノードオフガスの排出を行うことができるように配置されている。
図10(b)は、MEAユニット45Bのカソード側の面と当接するカソード対向プレート44Bの平面図である。図示するように、カソード対向プレート44Bは、水素供給用貫通孔442Baと、水素排出用貫通孔442Bbと、空気供給用貫通孔444Baと、複数の空気供給口444Biと、複数の空気排出口444Boと、空気排出用貫通孔444Bbと、冷却水供給用貫通孔446Baと、冷却水排出用貫通孔446Bbとを備えている。水素供給用貫通孔442Baと、水素排出用貫通孔442Bbと、空気供給用貫通孔444Baと、空気排出用貫通孔444Bbと、冷却水供給用貫通孔446Baと、冷却水排出用貫通孔446Bbとは、アノード対向プレート42Bと同様に、ほぼ矩形であるものとし、複数の空気供給口444Bi、および、複数の空気排出口444Boは、直径が同一の円形であるものとした。そして、複数の空気供給口444Bi、および、複数の空気排出口444Boは、それぞれ空気供給用貫通孔444Ba、および、空気排出用貫通孔444Bbに近いMEAユニット45Bのカソードの周縁部から空気の供給、および、カソードオフガスの排出を行うことができるように配置されている。
図10(c)は、中間プレート43Bの平面図である。図示するように、中間プレート43Bは、水素供給用貫通孔432Baと、水素排出用貫通孔432Bbと、空気供給用貫通孔434Baと、空気排出用貫通孔434Bbと、冷却水供給用貫通孔436Baと、冷却水排出用貫通孔436Bbとを備えている。水素供給用貫通孔432Baと、水素排出用貫通孔432Bbと、空気供給用貫通孔434Baと、空気排出用貫通孔434Bbと、冷却水供給用貫通孔436Baと、冷却水排出用貫通孔436Bbとは、アノード対向プレート42Bや、カソード対向プレート44Bと同様に、ほぼ矩形であるものとした。そして、水素供給用貫通孔432Baには、水素供給用貫通孔432Baからアノード対向プレート42Bの複数の水素供給口422Biに、それぞれ水素を流すための複数の水素供給用流路形成部432Bpが設けられている。また、水素排出用貫通孔432Bbには、アノード対向プレート42Bの複数の水素排出口422Boから水素排出用貫通孔432Bbにアノードオフガスを流すための複数の水素排出用流路形成部432Bpoが設けられている。また、空気供給用貫通孔434Baには、空気供給用貫通孔434Baからカソード対向プレート44Bの複数の空気供給口444Biに、それぞれ空気を流すための複数の空気供給用流路形成部434Bpiが設けられている。また、空気排出用貫通孔434Bbには、カソード対向プレート44Bの複数の空気排出口444Boから空気排出用貫通孔434Bbにカソードオフガスを流すための複数の空気排出用流路形成部434Bpoが設けられている。また、図示するように、MEAユニット45Bの発熱部位全体を冷却するために、冷却水が水素供給用流路形成部432Bpの間を蛇行して流れるように、冷却水供給用貫通孔436Baと、冷却水排出用貫通孔436Bbとを接続する冷却水流路形成部436Bpが形成されている。
図10(d)は、MEAユニット45Bのカソード側から見た平面図である。図示するように、MEAユニット45Bは、MEA部451と、フレームに設けられた水素供給用貫通孔452Baと、水素排出用貫通孔452Bbと、空気供給用貫通孔454Baと、空気排出用貫通孔454Bbと、冷却水供給用貫通孔456Baと、冷却水排出用貫通孔456Bbとを備えている。水素供給用貫通孔452Baと、水素排出用貫通孔452Bbと、空気供給用貫通孔454Baと、空気排出用貫通孔454Bbと、冷却水供給用貫通孔456Baと、冷却水排出用貫通孔456Bbとは、アノード対向プレート42Bや、カソード対向プレート44Bや、中間プレート43Bと同様に、ほぼ矩形であるものとした。これ以外は、第1実施例におけるMEAユニット45と同じである。
図11は、セパレータ41Bの平面図である。セパレータ41Bは、第1実施例におけるセパレータ41と同様に、アノード対向プレート42Bと、中間プレート43Bと、カソード対向プレート44Bとを接合することによって形成されている。ここでは、アノード対向プレート42B側から見た様子を示した。
図から分かるように、アノード対向プレート42Bと、中間プレート43Bと、カソード対向プレート44Bにおいて、水素供給用貫通孔422Baと、水素供給用貫通孔432Baと、水素供給用貫通孔442Baとは、同一形状であり、それぞれ同じ位置に形成されている。また、水素排出用貫通孔422Bbと、水素排出用貫通孔432Bbと、水素排出用貫通孔442Bbとは、同一形状であり、それぞれ同じ位置に形成されている。また、空気供給用貫通孔424Baと、空気供給用貫通孔434Baと、空気供給用貫通孔444Baも、同一形状であり、それぞれ同じ位置に形成されている。また、空気排出用貫通孔424Bbと、空気排出用貫通孔434Bbと、空気排出用貫通孔444Bbも、同一形状であり、それぞれ同じ位置に形成されている。また、冷却水供給用貫通孔426Baと、冷却水供給用貫通孔436Baと、冷却水供給用貫通孔446Baも、同一形状であり、それぞれ同じ位置に形成されている。また、冷却水排出用貫通孔426Bbと、冷却水排出用貫通孔436Bbと、冷却水排出用貫通孔446Bbも、同一形状であり、それぞれ同じ位置に形成されている。
図12は、燃料電池モジュール40Bの断面構造を示す説明図である。図12(a)には、図11におけるA−A断面図を示した。また、図12(b)には、図11におけるB−B断面図を示した。
図12(a)の図中に矢印で示したように、燃料電池モジュール40Bにおいて、カソード対向プレート44Bの水素供給用貫通孔442Ba、中間プレート43Bの水素供給用貫通孔432Ba、アノード対向プレート42Bの水素供給用貫通孔422Baを流れる水素は、中間プレート43Bの水素供給用貫通孔432Baから分岐して、水素供給用流路形成部432Bpを通り、アノード対向プレート42Bの複数の水素供給口422Biから、アノード側の金属多孔体層49に流れ、アノード用拡散層48aの全面に分散して供給される。そして、アノードオフガスは、アノード対向プレート42Bの水素排出口422Boから、金属多孔体層49の表面に対して垂直な方向に排出され、MEAユニット45Bの水素排出用流路形成部432Bpo、および、水素排出用貫通孔432Bbを通って、カソード対向プレート44Bの水素排出用貫通孔442Bbから排出される。
また、図12(b)の図中に矢印で示したように、燃料電池モジュール40Bにおいて、アノード対向プレート42Bの空気供給用貫通孔424Ba、中間プレート43Bの空気供給用貫通孔434Ba、カソード対向プレート44Bの空気供給用貫通孔444Baを流れる空気は、中間プレート43Bの空気供給用貫通孔434Aaから分岐して、空気供給用流路形成部434Bpiを通り、カソード対向プレート44Bの複数の空気供給口444Biから、カソード側の金属多孔体層49の表面に対して垂直な方向に供給される。そして、この空気は、金属多孔体層49、カソード用拡散層48c中を拡散しつつ流れ、カソードオフガスは、カソード対向プレート44Bの空気排出口444Boから、金属多孔体層49の表面に対して垂直な方向に排出され、MEAユニット45Bの空気排出用流路形成部434Bpo、および、空気排出用貫通孔434Bbを通って、アノード対向プレート42Bの空気排出用貫通孔424Bbから排出される。
また、アノード対向プレート42Bの冷却水供給用貫通孔426Ba、中間プレート43Bの冷却水供給用貫通孔436Ba、カソード対向プレート44Bの冷却水供給用貫通孔446Baを流れる冷却水は、中間プレート43Bの冷却水供給用貫通孔436Baから分岐して、冷却水流路形成部436Bpを通り、冷却水排出用貫通孔436Bbから排出される。
以上説明した第3実施例の燃料電池スタック100Bによれば、第1実施例と同様に、アノード対向プレート42Bにほぼ等間隔に配置され複数の水素供給口422Biから、発電を行うMEA部451のアノードの表面に対して垂直な方向から、アノードのほぼ全面に二次元的に分散させて水素を供給することができる。したがって、カソード側からアノード側に電解質膜46を透過した生成水が、アノードの表面に局所的に滞留し、水素の流路が閉塞されることを抑制することができる。この結果、燃料電池スタックの発電能力の低下を抑制することができる。また、発電に供されないガスを含むアノードオフガスを、燃料電池スタック100Bの外部に排出することができる。
D.第4実施例:
第4実施例の燃料電池システムは、燃料電池スタックが第3実施例における燃料電池スタック100Bと異なること以外は、第3実施例の燃料電池システム1000Bと同じである。したがって、以下、第4実施例の燃料電池スタックについて説明する。
第4実施例の燃料電池システムは、燃料電池スタックが第3実施例における燃料電池スタック100Bと異なること以外は、第3実施例の燃料電池システム1000Bと同じである。したがって、以下、第4実施例の燃料電池スタックについて説明する。
図13は、第4実施例の燃料電池スタックにおける燃料電池モジュール40Cの構成部品の平面図である。第4実施例における燃料電池モジュール40Cは、第1実施例における燃料電池モジュール40と同様に、セパレータ41Cと、MEAユニット45Cとを重ね合わせることによって構成されている。そして、セパレータ41Cは、アノード対向プレート42Cと、中間プレート43Cと、カソード対向プレート44Cとを、この順に重ね合わせ、ホットプレス接合することによって作製されている。本実施例においても、アノード対向プレート42Cと、中間プレート43Cと、カソード対向プレート44Cとは、同一の四角形の形状を有するステンレス鋼製の平板を用いるものとした。
図13(a)は、MEAユニット45Cのアノード側の面と当接するアノード対向プレート42Cの平面図である。図示するように、アノード対向プレート42Cは、水素供給用貫通孔422Caと、複数の水素供給口422Ciと、複数の水素排出口422Coと、水素排出用貫通孔422Cbと、空気供給用貫通孔424Caと、空気排出用貫通孔424Cbと、冷却水供給用貫通孔426Caと、冷却水排出用貫通孔426Cbとを備えている。水素供給用貫通孔422Caと、水素排出用貫通孔422Cbと、空気供給用貫通孔424Caと、空気排出用貫通孔424Cbと、冷却水供給用貫通孔426Caと、冷却水排出用貫通孔426Cbとは、ほぼ矩形であるものとした。また、複数の水素供給口422Ci、および、水素排出口422Coは、直径が同一の円形であるものとした。そして、複数の水素供給口422Ciは、第3実施例と同様に、MEAユニット45Cのアノードの全面に面内分布を均一化して水素を供給可能なように、MEAユニット45CのMEA部451と対向する領域に、二次元的に分散させて、ほぼ等間隔に配置されている。また、複数の水素排出口422Coは、水素排出用貫通孔422Cbに近いMEAユニット45Cのアノードの周縁部からアノードオフガスの排出を行うことができるように配置されている。
図13(b)は、MEAユニット45Cのカソード側の面と当接するカソード対向プレート44Cの平面図である。図示するように、カソード対向プレート44Cは、水素供給用貫通孔442Caと、水素排出用貫通孔442Cbと、空気供給用貫通孔444Caと、複数の空気供給口444Ciと、複数の空気排出口444Coと、空気排出用貫通孔444Cbと、冷却水供給用貫通孔446Caと、冷却水排出用貫通孔446Cbとを備えている。水素供給用貫通孔442Caと、水素排出用貫通孔442Cbと、空気供給用貫通孔444Caと、空気排出用貫通孔444Cbと、冷却水供給用貫通孔446Caと、冷却水排出用貫通孔446Cbとは、アノード対向プレート42Cと同様に、ほぼ矩形であるものとし、複数の空気供給口444Ci、および、複数の空気排出口444Coは、直径が同一の円形であるものとした。そして、複数の空気供給口444Ciは、第3実施例と同様に、MEAユニット45Cのカソードの全面に面内分布を均一化して空気を供給可能なように、MEAユニット45CのMEA部451と対向する領域に、二次元的に分散させて、ほぼ等間隔に配置されている。また、複数の空気排出口444Coは、空気排出用貫通孔444Cbに近いMEAユニット45Cのカソードの周縁部からカソードオフガスの排出を行うことができるように配置されている。
図13(c)は、中間プレート43Cの平面図である。図示するように、中間プレート43Cは、水素供給用貫通孔432Caと、水素排出用貫通孔432Cbと、空気供給用貫通孔434Caと、空気排出用貫通孔434Cbと、冷却水供給用貫通孔436Caと、冷却水排出用貫通孔436Cbとを備えている。水素供給用貫通孔432Caと、水素排出用貫通孔432Cbと、空気供給用貫通孔434Caと、空気排出用貫通孔434Cbと、冷却水供給用貫通孔436Caと、冷却水排出用貫通孔436Cbとは、アノード対向プレート42Cや、カソード対向プレート44Cと同様に、ほぼ矩形であるものとした。そして、水素供給用貫通孔432Caには、水素供給用貫通孔432Caからアノード対向プレート42Cの複数の水素供給口422Ciに、それぞれ水素を流すための複数の水素供給用流路形成部432Cpが設けられている。また、水素排出用貫通孔432Cbには、アノード対向プレート42Cの複数の水素排出口422Coから水素排出用貫通孔432Cbにアノードオフガスを流すための複数の水素排出用流路形成部432Cpoが設けられている。また、空気供給用貫通孔434Caには、空気供給用貫通孔434Caからカソード対向プレート44Cの複数の空気供給口444Ciに、それぞれ空気を流すための複数の空気供給用流路形成部434Cpが設けられている。また、空気排出用貫通孔434Cbには、カソード対向プレート44Cの複数の空気排出口444Coから空気排出用貫通孔434Cbにカソードオフガスを流すための複数の空気排出用流路形成部434Cpoが設けられている。また、図示するように、MEAユニット45Cの発熱部位全体を冷却するために、冷却水が水素供給用流路形成部432Cp、および、空気供給用流路形成部434Cpの間を蛇行して流れるように、冷却水供給用貫通孔436Caと、冷却水排出用貫通孔436Cbとを接続する冷却水流路形成部436Cpが形成されている。
図13(d)は、MEAユニット45Cのカソード側から見た平面図である。図示するように、MEAユニット45Cは、MEA部451と、フレームに設けられた水素供給用貫通孔452Caと、水素排出用貫通孔452Cbと、空気供給用貫通孔454Caと、空気排出用貫通孔454Cbと、冷却水供給用貫通孔456Caと、冷却水排出用貫通孔456Cbとを備えている。水素供給用貫通孔452Caと、水素排出用貫通孔452Cbと、空気供給用貫通孔454Caと、空気排出用貫通孔454Cbと、冷却水供給用貫通孔456Caと、冷却水排出用貫通孔456Cbとは、アノード対向プレート42Cや、カソード対向プレート44Cや、中間プレート43Cと同様に、ほぼ矩形であるものとした。これ以外は、第1実施例におけるMEAユニット45と同じである。
図14は、セパレータ41Cの平面図である。セパレータ41Cは、第1実施例におけるセパレータ41と同様に、アノード対向プレート42Cと、中間プレート43Cと、カソード対向プレート44Cとを接合することによって形成されている。ここでは、アノード対向プレート42C側から見た様子を示した。
図から分かるように、アノード対向プレート42Cと、中間プレート43Cと、カソード対向プレート44Cにおいて、水素供給用貫通孔422Caと、水素供給用貫通孔432Caと、水素供給用貫通孔442Caとは、同一形状であり、それぞれ同じ位置に形成されている。また、水素排出用貫通孔422Cbと、水素排出用貫通孔432Cbと、水素排出用貫通孔442Cbとは、同一形状であり、それぞれ同じ位置に形成されている。また、空気供給用貫通孔424Caと、空気供給用貫通孔434Caと、空気供給用貫通孔444Caも、同一形状であり、それぞれ同じ位置に形成されている。また、空気排出用貫通孔424Cbと、空気排出用貫通孔434Cbと、空気排出用貫通孔444Cbも、同一形状であり、それぞれ同じ位置に形成されている。また、冷却水供給用貫通孔426Caと、冷却水供給用貫通孔436Caと、冷却水供給用貫通孔446Caも、同一形状であり、それぞれ同じ位置に形成されている。また、冷却水排出用貫通孔426Cbと、冷却水排出用貫通孔436Cbと、冷却水排出用貫通孔446Cbも、同一形状であり、それぞれ同じ位置に形成されている。
図15は、燃料電池モジュール40Cの断面構造を示す説明図である。図15(a)には、図14におけるA−A断面図を示した。また、図15(b)には、図14におけるB−B断面図を示した。また、図15(c)には、図14におけるC−C断面図を示した。また、図15(d)には、図14におけるD−D断面図を示した。
図14、および、図15から分かるように、燃料電池モジュール40Cにおいて、カソード対向プレート44Cの水素供給用貫通孔442Ca、中間プレート43Cの水素供給用貫通孔432Ca、アノード対向プレート42Cの水素供給用貫通孔422Caを流れる水素は、中間プレート43Cの水素供給用貫通孔432Caから分岐して、水素供給用流路形成部432Cpを通り、アノード対向プレート42Cの複数の水素供給口422Ciから、アノード側の金属多孔体層49の全面に分散して供給される。そして、アノードオフガスは、アノード対向プレート42Cの水素排出口422Coから、アノード用拡散層48aの表面に対して垂直な方向に排出され、MEAユニット45Cの水素排出用流路形成部432Cpo、および、水素排出用貫通孔432Cbを通って、カソード対向プレート44Bの水素排出用貫通孔442Cbから排出される。
また、燃料電池モジュール40Cにおいて、アノード対向プレート42Cの空気供給用貫通孔424Ca、中間プレート43Cの空気供給用貫通孔434Ca、カソード対向プレート44Cの空気供給用貫通孔444Caを流れる空気は、中間プレート43Cの空気供給用貫通孔434Caから分岐して、空気供給用流路形成部434Cpを通り、カソード対向プレート44Cの複数の空気供給口444Ciから、カソード側の金属多孔体層49の全面に分散して供給される。そして、この空気は、金属多孔体層49、カソード用拡散層48c中を拡散しつつ流れ、カソードオフガスは、カソード対向プレート44Cの空気排出口444Coから、金属多孔体層49の表面に対して垂直な方向に排出され、MEAユニット45Cの空気排出用流路形成部434Cpo、および、空気排出用貫通孔434Cbを通って、アノード対向プレート42Cの空気排出用貫通孔424Cbから排出される。
また、アノード対向プレート42Cの冷却水供給用貫通孔426Ca、中間プレート43Cの冷却水供給用貫通孔436Ca、カソード対向プレート44Cの冷却水供給用貫通孔446Caを流れる冷却水は、中間プレート43Cの冷却水供給用貫通孔436Caから分岐して、冷却水流路形成部436Cpを通り、冷却水排出用貫通孔436Cbから排出される。
以上説明した第4実施例の燃料電池スタックによっても、アノード対向プレート42Cにほぼ等間隔に配置され複数の水素供給口422Ciから、発電を行うMEA部451のアノードの表面に対して垂直な方向から、アノードのほぼ全面に二次元的に分散させて水素を供給することができる。さらに、カソード対向プレート44Cにほぼ等間隔に配置され複数の空気供給口444Ciから、発電を行うMEA部451のカソードの表面に対して垂直な方向から、カソードのほぼ全面に二次元的に分散させて空気を供給することができる。したがって、燃料電池スタックのアノードにおいては、カソード側からアノード側に電解質膜46を透過した生成水が、アノードの表面に局所的に滞留し、水素の流路が閉塞されることを抑制することができ、カソードにおいては、カソードで生成された生成水が、カソードの表面に局所的に滞留し、空気の流路が閉塞されることを抑制することができる。この結果、燃料電池スタックの発電能力の低下を抑制することができる。また、発電に供されないガスを含むアノードオフガスを、燃料電池スタックの外部に排出することができる。
E.変形例:
以上、本発明のいくつかの実施の形態について説明したが、本発明はこのような実施の形態になんら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において種々なる態様での実施が可能である。例えば、以下のような変形例が可能である。
以上、本発明のいくつかの実施の形態について説明したが、本発明はこのような実施の形態になんら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において種々なる態様での実施が可能である。例えば、以下のような変形例が可能である。
E1.変形例1:
図16は、変形例としての燃料電池システム1000Dの概略構成を示す説明図である。この燃料電池システム1000Dは、上記第3、および、第4実施例の燃料電池システムから循環配管54、および、ポンプ55を取り除いたシステムである。この燃料電池システム1000Dに用いられる燃料電池スタック100Dは、第3実施例の燃料電池スタック100B、または、第4実施例の燃料電池スタックである。そして、この燃料電池システム1000Dでは、発電中には、燃料電池スタック100Dのアノードに供給した水素をほぼ全て消費するように、排気バルブ57を閉弁して、排気ガスを外部に排出しない状態で運転するとともに、所定のタイミングで、排気バルブ57を開弁して、内部に貯留した発電に供されないガスを、外部に放出する。こうすることによって、燃料ガスを効率よく利用することができる。
図16は、変形例としての燃料電池システム1000Dの概略構成を示す説明図である。この燃料電池システム1000Dは、上記第3、および、第4実施例の燃料電池システムから循環配管54、および、ポンプ55を取り除いたシステムである。この燃料電池システム1000Dに用いられる燃料電池スタック100Dは、第3実施例の燃料電池スタック100B、または、第4実施例の燃料電池スタックである。そして、この燃料電池システム1000Dでは、発電中には、燃料電池スタック100Dのアノードに供給した水素をほぼ全て消費するように、排気バルブ57を閉弁して、排気ガスを外部に排出しない状態で運転するとともに、所定のタイミングで、排気バルブ57を開弁して、内部に貯留した発電に供されないガスを、外部に放出する。こうすることによって、燃料ガスを効率よく利用することができる。
E2.変形例2:
上記第1実施例では、アノード対向プレート42において、複数の水素供給口422iは、全て直径が同一の円形であり、ほぼ等間隔に配置されているものとしたが、これに限られない。複数の水素供給口422iの形状や、大きさや、配置位置は、MEA部451のアノードの全面に、二次元的に分散させて水素を供給可能なように、任意に設定可能である。
上記第1実施例では、アノード対向プレート42において、複数の水素供給口422iは、全て直径が同一の円形であり、ほぼ等間隔に配置されているものとしたが、これに限られない。複数の水素供給口422iの形状や、大きさや、配置位置は、MEA部451のアノードの全面に、二次元的に分散させて水素を供給可能なように、任意に設定可能である。
図17は、第1実施例におけるアノード対向プレート42の変形例としてのアノード対向プレート42E、42F、42Gの平面図である。
図17(a)に示しアノード対向プレート42Eでは、複数の水素供給口422Eiは、ほぼ等間隔に配置されており、その直径(開口面積)が、ガスの下流ほど大きくなっている。開口面積が同一である複数の水素供給口を、水素の流れの上流から下流にかけて等間隔に配置し、MEA部451のアノードの表面に水素を供給する場合、その供給圧力は、下流側ほど低くなる。そして、この場合、各水素供給口から供給される水素の単位時間当たりの供給量は、下流側ほど少なくなる。このような場合に、アノード対向プレート42Eによれば、各水素供給口422Eiから供給される水素の単位時間当たりの供給量を均一化することができる。
また、図17(b)に示しアノード対向プレート42Fでは、複数の水素供給口422Fiは、その開口面積は同一であるが、ガスの下流ほど、配置位置の間隔が狭くなっている。こうすることによって、ガスの下流において、水素の供給圧力が低い場合でも、アノードの表面への水素の供給量の面内分布を均一化することができる。
また、図17(c)に示したように、アノード対向プレート42Gにおいて、複数の水素供給口422Giの形状をスリット状にしてもよい。さらに、他の形状にしてもよい。
なお、これらは、他の実施例のアノード対向プレートにおける水素供給口や、第2実施例、および、第4実施例のカソード対向プレートにおける空気供給口にも適用可能である。
E3.変形例3:
図18は、第1実施例の燃料電池モジュール40の変形例としての燃料電池モジュールの断面構造を示す説明図である。図18(a)の左側に、MEAユニットのMEA部の断面図を示し、右側に、図4におけるA−A断面図に相当する図を示した。また、図18(b)に、図4におけるB−B断面図に相当する図を示した。水素や、空気や、冷却水の流れは、第1実施例と同じであるから、詳細な説明は省略する。図示するように、MEAユニットのMEA部のアノード側に、金属多孔体層を備えていないようにしてもよい。MEA部のアノード側に金属多孔体層を備えていなくても、アノード対向プレート42に設けられた複数の水素供給口422iからアノードのほぼ全体に水素を供給することができるからである。
図18は、第1実施例の燃料電池モジュール40の変形例としての燃料電池モジュールの断面構造を示す説明図である。図18(a)の左側に、MEAユニットのMEA部の断面図を示し、右側に、図4におけるA−A断面図に相当する図を示した。また、図18(b)に、図4におけるB−B断面図に相当する図を示した。水素や、空気や、冷却水の流れは、第1実施例と同じであるから、詳細な説明は省略する。図示するように、MEAユニットのMEA部のアノード側に、金属多孔体層を備えていないようにしてもよい。MEA部のアノード側に金属多孔体層を備えていなくても、アノード対向プレート42に設けられた複数の水素供給口422iからアノードのほぼ全体に水素を供給することができるからである。
E4.変形例4:
上記実施例では、アノード対向プレートが二次元的に分散して配置された複数の水素供給口を備える場合と、アノード対向プレート、および、カソード対向プレートが二次元的に分散して配置された複数の水素供給口、および、空気供給口を備える場合について説明したが、アノード対向プレート、および、カソード対向プレートの少なくとも一方が、二次元的に分散して配置された複数の供給口を備えるようにすればよい。
上記実施例では、アノード対向プレートが二次元的に分散して配置された複数の水素供給口を備える場合と、アノード対向プレート、および、カソード対向プレートが二次元的に分散して配置された複数の水素供給口、および、空気供給口を備える場合について説明したが、アノード対向プレート、および、カソード対向プレートの少なくとも一方が、二次元的に分散して配置された複数の供給口を備えるようにすればよい。
E5.変形例5:
上記実施例では、冷却水流路を中間プレートの内部に形成するようにしたが、これに限られず、他の部材を用いて冷却水流路を形成するようにしてもよい。ただし、上記実施例によれば、冷却水流路を別の部材を用いて形成するよりも、セパレータの厚さを薄くすることができる。この結果、燃料電池スタックを小型化することができる。また、上記実施例によれば、ガス流路と冷却水流路とを単一の部材を加工することによって形成しているので、これらを別部材を用いて形成するよりも部品点数をすくなくすることができる。
上記実施例では、冷却水流路を中間プレートの内部に形成するようにしたが、これに限られず、他の部材を用いて冷却水流路を形成するようにしてもよい。ただし、上記実施例によれば、冷却水流路を別の部材を用いて形成するよりも、セパレータの厚さを薄くすることができる。この結果、燃料電池スタックを小型化することができる。また、上記実施例によれば、ガス流路と冷却水流路とを単一の部材を加工することによって形成しているので、これらを別部材を用いて形成するよりも部品点数をすくなくすることができる。
E6.変形例6:
上記実施例では、アノード対向プレートと、中間プレートと、カソード対向プレートとは、すべて平板としたが、これに限られない。先に示した特許文献1に記載された技術のような、溝状のガス流路が形成されたアノード対向プレートと、カソード対向プレートを用いたセパレータとしてもよい。ただし、アノード対向プレートと、中間プレートと、カソード対向プレートとを平板とすれば、加工を容易に行うことができる。
上記実施例では、アノード対向プレートと、中間プレートと、カソード対向プレートとは、すべて平板としたが、これに限られない。先に示した特許文献1に記載された技術のような、溝状のガス流路が形成されたアノード対向プレートと、カソード対向プレートを用いたセパレータとしてもよい。ただし、アノード対向プレートと、中間プレートと、カソード対向プレートとを平板とすれば、加工を容易に行うことができる。
10…エンドプレート
20…絶縁板
30…集電板
40,40A,40B,40C…燃料電池モジュール
41,41A,41B,41C…セパレータ
42,42A,42B,42C,42E,42F,42G…アノード対向プレート
422a,422Aa,422Ba,422Ca…水素供給用貫通孔
422i,422Ai,422Bi,422Ci,422Ei,422Fi,422Gi…水素供給口
422Bb,422Cb…水素排出用貫通孔
422Bo,422Co…水素排出口
424a,424Aa,424Ba,424Ca…空気供給用貫通孔
424b,424Ab,424Bb,424Cb…空気排出用貫通孔
426a,426Aa,426Ba,426Ca…冷却水供給用貫通孔
426b,426Ab,426Bb,426Cb…冷却水排出用貫通孔
43,43A,43B,43C…中間プレート
432a,432Aa,432Ba,432Ca…水素供給用貫通孔
432Bpo,432Cpo…水素排出用流路形成部
432p,432Ap,432Bp,432Cp…水素供給用流路形成部
432Bb,432Cb…水素排出用貫通孔
434a,434Aa,434Ba,434Ca…空気供給用貫通孔
434b,434Ab,434Bb,434Cb…空気排出用貫通孔
434pi,434Api,434Bpi,434Cp…空気供給用流路形成部
434po,434Apo,434Bpo,434Cpo…空気排出用流路形成部
436a,436Aa,436Ba,436Ca…冷却水供給用貫通孔
436b,436Ab,436Bb,436Cb…冷却水排出用貫通孔
436p,436Ap,436Bp,436Cp…冷却水流路形成部
44,44A,44B,44C…カソード対向プレート
442a,442Aa,442Ba,442Ca…水素供給用貫通孔
442Bb,442Cb,水素排出用貫通孔
444a,444Aa,444Ba,444Ca…空気供給用貫通孔
444b,444Ab,444Bb,444Cb…空気排出用貫通孔
444i,444Ai,444Bi,444Ci…空気供給口
444o,444Ao,444Bo,444Co…空気排出口
446a,446Aa,446Ba,446Ca…冷却水供給用貫通孔
446b,446Ab,446Bb,446Cb…冷却水排出用貫通孔
45,45A,45B,45C…MEAユニット
451…MEA部
452a,452Aa,452Ba,452Ca…水素供給用貫通孔
452Bb,452Cb…水素排出用貫通孔
454a,454Aa,454Ba,454Ca…空気供給用貫通孔
454b,454Ab,454Bb,454Cb…空気排出用貫通孔
456a,456Aa,456Ba,456Ca…冷却水供給用貫通孔
456b,456Ab,456Bb,456Cb…冷却水排出用貫通孔
46…電解質膜
47a…アノード用触媒層
47c…カソード用触媒層
48a…アノード用拡散層
48c…カソード用拡散層
49…金属多孔体層
50…水素タンク
51…シャットバルブ
52…レギュレータ
53…配管
54…循環配管
55…ポンプ
56…排出配管
57…排気バルブ
60…コンプレッサ
61,62…配管
70…ポンプ
71…ラジエータ
72…配管
100,100B,100D…燃料電池スタック
1000,1000B,1000D…燃料電池システム
20…絶縁板
30…集電板
40,40A,40B,40C…燃料電池モジュール
41,41A,41B,41C…セパレータ
42,42A,42B,42C,42E,42F,42G…アノード対向プレート
422a,422Aa,422Ba,422Ca…水素供給用貫通孔
422i,422Ai,422Bi,422Ci,422Ei,422Fi,422Gi…水素供給口
422Bb,422Cb…水素排出用貫通孔
422Bo,422Co…水素排出口
424a,424Aa,424Ba,424Ca…空気供給用貫通孔
424b,424Ab,424Bb,424Cb…空気排出用貫通孔
426a,426Aa,426Ba,426Ca…冷却水供給用貫通孔
426b,426Ab,426Bb,426Cb…冷却水排出用貫通孔
43,43A,43B,43C…中間プレート
432a,432Aa,432Ba,432Ca…水素供給用貫通孔
432Bpo,432Cpo…水素排出用流路形成部
432p,432Ap,432Bp,432Cp…水素供給用流路形成部
432Bb,432Cb…水素排出用貫通孔
434a,434Aa,434Ba,434Ca…空気供給用貫通孔
434b,434Ab,434Bb,434Cb…空気排出用貫通孔
434pi,434Api,434Bpi,434Cp…空気供給用流路形成部
434po,434Apo,434Bpo,434Cpo…空気排出用流路形成部
436a,436Aa,436Ba,436Ca…冷却水供給用貫通孔
436b,436Ab,436Bb,436Cb…冷却水排出用貫通孔
436p,436Ap,436Bp,436Cp…冷却水流路形成部
44,44A,44B,44C…カソード対向プレート
442a,442Aa,442Ba,442Ca…水素供給用貫通孔
442Bb,442Cb,水素排出用貫通孔
444a,444Aa,444Ba,444Ca…空気供給用貫通孔
444b,444Ab,444Bb,444Cb…空気排出用貫通孔
444i,444Ai,444Bi,444Ci…空気供給口
444o,444Ao,444Bo,444Co…空気排出口
446a,446Aa,446Ba,446Ca…冷却水供給用貫通孔
446b,446Ab,446Bb,446Cb…冷却水排出用貫通孔
45,45A,45B,45C…MEAユニット
451…MEA部
452a,452Aa,452Ba,452Ca…水素供給用貫通孔
452Bb,452Cb…水素排出用貫通孔
454a,454Aa,454Ba,454Ca…空気供給用貫通孔
454b,454Ab,454Bb,454Cb…空気排出用貫通孔
456a,456Aa,456Ba,456Ca…冷却水供給用貫通孔
456b,456Ab,456Bb,456Cb…冷却水排出用貫通孔
46…電解質膜
47a…アノード用触媒層
47c…カソード用触媒層
48a…アノード用拡散層
48c…カソード用拡散層
49…金属多孔体層
50…水素タンク
51…シャットバルブ
52…レギュレータ
53…配管
54…循環配管
55…ポンプ
56…排出配管
57…排気バルブ
60…コンプレッサ
61,62…配管
70…ポンプ
71…ラジエータ
72…配管
100,100B,100D…燃料電池スタック
1000,1000B,1000D…燃料電池システム
Claims (11)
- プロトン伝導性を有する所定の電解質膜の両面に、それぞれアノード、および、カソードを配置した積層体を、セパレータを介在させて、複数積層させたスタック構造を有する燃料電池であって、
前記セパレータは、
前記積層体のアノードに対向するアノード対向プレートと、
前記積層体のカソードに対向するカソード対向プレートと、
前記アノード対向プレートと、前記カソード対向プレートとによって挟持される中間プレートと、を備え、
前記アノード対向プレート、および、前記カソード対向プレートの少なくとも一方は、該プレートの厚さ方向に貫通し、前記積層体の表面に対して垂直な方向から、所定の反応ガスを前記積層体の表面に供給するための複数の反応ガス供給口を備え、
前記中間プレートは、前記アノード対向プレートと、前記カソード対向プレートとによって挟持されることによって、前記反応ガスを前記複数の反応ガス供給口のそれぞれに供給するための反応ガス供給流路を形成する反応ガス供給流路形成部を備え、
前記複数の反応ガス供給口は、該複数の反応ガス供給口を備えるプレートのプレート面について、二次元的に分散させて配置されている、
燃料電池。 - 請求項1記載の燃料電池であって、
前記複数の反応ガス供給口は、略等間隔の位置に形成されている、
燃料電池。 - 請求項2記載の燃料電池であって、
前記複数の反応ガス供給口の開口面積は、前記反応ガス供給流路の下流側から前記反応ガスが供給される反応ガス供給口ほど広い、
燃料電池。 - 請求項1記載の燃料電池であって、
前記複数の反応ガス供給口の開口面積は、略同一であり、
前記複数の反応ガス供給口の形成間隔は、前記反応ガス供給流路の下流側から前記反応ガスが供給される反応ガス供給口ほど密である、
燃料電池。 - 請求項1ないし4のいずれかに記載の燃料電池であって、
前記中間プレートは、さらに、前記アノード対向プレートと、前記カソード対向プレートとによって挟持されることによって、前記燃料電池を冷却するための冷却媒体を流すための冷却媒体流路を形成する冷却媒体流路形成部を備える、
燃料電池。 - 請求項5記載の燃料電池であって、
単一の前記中間プレートが、前記反応ガス供給流路形成部、および、前記冷却媒体流路形成部を備えている、
燃料電池。 - 請求項1ないし6のいずれかに記載の燃料電池であって、
前記アノード対向プレートと、前記カソード対向プレートとのうちの前記複数の反応ガス供給口を有する少なくとも一方は、さらに、該プレートの厚さ方向に貫通し、前記複数の反応ガス供給口から供給された前記反応ガスのうちの発電に利用されなかった残余のガスである排気ガスを、前記積層体の表面に対して垂直な方向に排出するための排気ガス排出口を備え、
前記中間プレートは、さらに、前記アノード対向プレートと、前記カソード対向プレートとによって挟持されることによって、前記排気ガス排出口から前記排気ガスを外部に排出するための排気ガス排出流路を形成する排気ガス排出流路形成部を備える、
燃料電池。 - 請求項7記載の燃料電池であって、
前記複数の反応ガス供給口は、前記アノード対向プレートに備えられており、
少なくとも発電中には、前記アノード対向プレートにおける前記ガス排出口から外部に、前記排気ガスは排出されない、
燃料電池。 - 請求項1ないし6のいずれかに記載の燃料電池であって、
前記カソード対向プレートは、前記複数の反応ガス供給口を備え、
該複数の反応ガス供給口から供給された前記反応ガスは、外部に排出されることなく発電に利用されることを特徴とする、
燃料電池。 - 請求項1ないし9のいずれかに記載の燃料電池であって、
前記アノード対向プレートと、前記カソード対向プレートと、前記中間プレートは、それぞれ平板状の部材からなる、
燃料電池。 - 請求項1ないし10のいずれかに記載の燃料電池であって、
前記積層体は、該積層体の少なくともカソード側の面に、該面に沿った方向に拡散させつつ、前記反応ガスを流すための多孔体からなるガス拡散層を備える、
燃料電池。
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