JP2009134996A - 燃料電池 - Google Patents
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Abstract
【課題】間引き冷却構造において、簡単な構成で、圧力損失の差を吸収し、流量の均一化を図ることができ、スタック全体の性能を良好に向上させることを可能にする。
【解決手段】燃料電池10を構成する各燃料電池ユニット12は、アノード側金属セパレータ14、第1電解質膜・電極構造体16a、中間金属セパレータ18、第2電解質膜・電極構造体16b及びカソード側金属セパレータ20を設ける。アノード側金属セパレータ14は、燃料ガス入口連通孔34aと第1燃料ガス流路36aとを連通する複数の外側供給孔部66a及び内側供給孔部66bを有し、中間金属セパレータ18は、燃料ガス入口連通孔34aと第2燃料ガス流路36bとを連通する複数の供給孔部66cを有する。外側供給孔部66a及び内側供給孔部66bの使用本数に対し、供給孔部66cの使用本数が少なく設定される。
【選択図】図1
【解決手段】燃料電池10を構成する各燃料電池ユニット12は、アノード側金属セパレータ14、第1電解質膜・電極構造体16a、中間金属セパレータ18、第2電解質膜・電極構造体16b及びカソード側金属セパレータ20を設ける。アノード側金属セパレータ14は、燃料ガス入口連通孔34aと第1燃料ガス流路36aとを連通する複数の外側供給孔部66a及び内側供給孔部66bを有し、中間金属セパレータ18は、燃料ガス入口連通孔34aと第2燃料ガス流路36bとを連通する複数の供給孔部66cを有する。外側供給孔部66a及び内側供給孔部66bの使用本数に対し、供給孔部66cの使用本数が少なく設定される。
【選択図】図1
Description
本発明は、電解質の両側にそれぞれ電極を設けた電解質・電極構造体とセパレータとが積層され、前記セパレータを貫通して少なくとも燃料ガス又は酸化剤ガスである一方の反応ガスを流すための反応ガス連通孔が形成されるとともに、一方のセパレータには、前記一方の反応ガスを前記電解質・電極構造体の一方の電極面方向に沿って供給する反応ガス流路が設けられ、2以上の前記電解質・電極構造体を挟んでセパレータ面方向に延在する冷却媒体流路が設けられる燃料電池に関する。
例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜の両側に、それぞれアノード側電極及びカソード側電極を配設した電解質膜・電極構造体(MEA)を、セパレータによって挟持した単位セルを備えている。この種の燃料電池は、通常、所定の数の単位セルを積層することにより、燃料電池スタックとして使用されている。
上記の燃料電池では、各セパレータの面内に、アノード側電極に対向して燃料ガス(反応ガス)を流すための燃料ガス流路(反応ガス流路)と、カソード側電極に対向して酸化剤ガス(反応ガス)を流すための酸化剤ガス流路(反応ガス流路)とが設けられている。さらに、セパレータ間には、必要に応じて冷却媒体を流すための冷却媒体流路が前記セパレータの面方向に沿って設けられている。
この場合、反応ガス流路と反応ガス連通孔とは、反応ガスを円滑且つ均等に流すために平行溝部等を有する連結流路(ブリッジ部に形成された反応ガス流路)を介して連通している。ところが、セパレータと電解質膜・電極構造体とを、シール部材を介装して締め付け固定する際に、このシール部材が連結流路内に進入するおそれがある。これにより、所望のシール性を維持することができず、しかも連結流路が閉塞されて反応ガスが良好に流れないという問題がある。
そこで、特許文献1に開示されている電気化学燃料電池スタックは、図9に示すように、アノードセパレータプレート1a、1bと、カソードセパレータプレート2a、2bとを備えている。MEA3は、アノード3aがアノードセパレータプレート1aに接触する一方、カソード3bがカソードセパレータプレート2aに接触して配置されている。
MEA3は、シール4を備えており、スタックの積層方向に貫通して燃料ガスマニホールド5aと酸化剤ガスマニホールド5bとが形成されている。燃料ガスマニホールド5aは、カソードセパレータプレート2bとアノードセパレータプレート1aとの間に形成される燃料ガス通路6aから開口7aを介して燃料ガス流路8aに連通している。酸化剤ガスマニホールド5bは、同様にアノードセパレータプレート1bとカソードセパレータプレート2aとの間に形成される酸化剤ガス通路6bから開口7bを介して酸化剤ガス流路8bに連通している。
これにより、シール4が燃料ガスマニホールド5aや酸化剤ガスマニホールド5bに連通する開放溝部に面することがなく、ブリッジ部材が不要になる、としている。
ところで、燃料電池では、冷却媒体流路を複数組の単位セル毎に設ける(所謂、間引き冷却)ことにより、前記冷却媒体流路の数を減少させて燃料電池スタック全体の積層方向の短尺化を図る工夫がなされている。
その際、上記の間引き冷却構造では、各種セパレータ及びMEAの積層上の関係から、例えば、スタックの積層方向に貫通して開口7a、7bをそれぞれ同一位置に形成することができない場合がある。このため、燃料ガスマニホールド5aから燃料ガス通路6a及び開口7aを介して燃料ガス流路8aに至る各流路形状は、異なる形状(例えば、異なる長さ)になる一方、酸化剤ガスマニホールド5bから酸化剤ガス通路6b及び開口7bを介して酸化剤ガス流路8bに至る各流路形状は、同様に異なる形状を有している。これにより、各流路における圧力損失が不均一になるおそれがある。
しかも、互いに隣接する単位セルでは、冷却媒体通路が形成される冷却面が、一方の単位セルの酸化剤ガス流路の裏面側に形成されるとともに、他方の単位セルの燃料ガス流路の裏面側に形成されている。従って、互いに隣接する単位セルは、温度や湿度等の環境が異なり、結露水による流路の閉塞状況も異なってしまう。
このため、例えば、各開口7a、7bの寸法及び形状等を同一に設定しても、流路を流れる燃料ガス及び酸化剤ガスの流量を均等にすることができない。これにより、各単位セルの発電性能が不均一になり、燃料電池スタック全体の性能が低下するという問題がある。
本発明はこの種の問題を解決するものであり、間引き冷却構造において、簡単な構成で、圧力損失の差を吸収して流量の均一化を図ることができ、スタック全体の性能を良好に向上させることが可能な燃料電池を提供することを目的とする。
本発明は、電解質の両側にそれぞれ電極を設けた電解質・電極構造体とセパレータとが積層され、前記セパレータを貫通して少なくとも燃料ガス又は酸化剤ガスである一方の反応ガスを流すための反応ガス連通孔が形成されるとともに、一方のセパレータには、前記一方の反応ガスを前記電解質・電極構造体の一方の電極面方向に沿って供給する反応ガス流路が設けられ、2以上の前記電解質・電極構造体を挟んでセパレータ面方向に延在する冷却媒体流路が設けられる燃料電池に関するものである。
第1のセパレータには、一方の反応ガスを第1の電解質・電極構造体の一方の電極面方向に沿って供給する第1の反応ガス流路と、前記第1のセパレータを貫通して反応ガス連通孔と前記第1の反応ガス流路とを連通する複数の第1孔部とが設けられている。
第1のセパレータに第1の電解質・電極構造体を介装して隣接する第2のセパレータには、一方の反応ガスを第2の電解質・電極構造体の一方の電極面方向に沿って供給する第2の反応ガス流路と、前記第2のセパレータを貫通して反応ガス連通孔と前記第2の反応ガス流路とを連通する複数の第2孔部とが設けられている。そして、第1孔部と第2孔部とは、互いに異なる使用本数に設定されている。
また、燃料電池は、反応ガス連通孔と第1孔部とを連通する複数の第1通路と、反応ガス連通孔と第2孔部とを連通する複数の第2通路とを設けるとともに、前記第1通路と前記第2通路とは、互いに異なる使用本数に設定されることが好ましい。
さらに、第1のセパレータには、前記第1のセパレータを貫通して第1孔部と反応ガス連通孔とを連通する複数の第3孔部が設けられることが好ましい。
さらにまた、第1のセパレータには、一方の電極面側とは反対の面側で第1孔部と第3孔部とを連通する連結通路が設けられることが好ましい。
本発明によれば、第1のセパレータを貫通して反応ガス連通孔と第1の反応ガス流路とを連通する第1孔部と、第2のセパレータを貫通して反応ガス連通孔と第2の反応ガス流路とを連通する第2孔部とが、互いに異なる使用本数に設定されている。このため、圧力損失の差を吸収して第1の反応ガス流路の流量と第2の反応ガス流路の流量との均一化を図ることができ、スタック全体の性能を良好に向上させることが可能になる。
しかも、第1のセパレータと第2セパレータとで、流路深さ等の内部構造が異なる際にも、第1孔部と第2孔部との使用本数を異ならせることにより、圧力損失の差を吸収することができる。これにより、燃料電池全体の設計の自由度が良好に向上する。
さらに、間引き冷却構造を採用するため、第1のセパレータと第2のセパレータとでは、温度や湿度等の環境状態が異なっている。従って、第1孔部と第2孔部との使用本数を異ならせることにより、水詰まりの発生を阻止して均一な流量を得ることが可能になる。
図1は、本発明の第1の実施形態に係る燃料電池10の要部分解斜視説明図であり、図2は、前記燃料電池10の、図1中、II−II線断面説明図である。
燃料電池10は、実質的に2つの単位セルを含む燃料電池ユニット12を矢印A方向に積層して構成される。燃料電池ユニット12は、アノード側金属セパレータ(第1のセパレータ)14、第1電解質膜・電極構造体(電解質・電極構造体)16a、中間金属セパレータ(第2のセパレータ)18、第2電解質膜・電極構造体16b及びカソード側金属セパレータ20を設ける。
アノード側金属セパレータ14、中間金属セパレータ18及びカソード側金属セパレータ20は、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、めっき処理鋼板、あるいはその金属表面に防食用の表面処理を施した金属薄板を波形状に成形して構成されている。
第1及び第2電解質膜・電極構造体16a、16bは、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜22a、22bと、前記固体高分子電解質膜22a、22bを挟持するアノード側電極(一方の電極)24a、24b及びカソード側電極26a、26bとを備える。
アノード側電極24a、24bは、カソード側電極26a、26bよりも小さな表面積を有する段差型MEAを構成している。固体高分子電解質膜22a、アノード側電極24a及びカソード側電極26aは、それぞれ矢印B方向両端部上下に切り欠きが設けられて表面積が縮小されている。
アノード側電極24a、24b及びカソード側電極26a、26bは、カーボンペーパ等からなるガス拡散層(図示せず)と、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が前記ガス拡散層の表面に一様に塗布されて形成される電極触媒層(図示せず)とを有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜22a、22bの両面に形成される。
燃料電池ユニット12の矢印B方向(図1中、水平方向)の一端縁部には、積層方向である矢印A方向に互いに連通して、酸化剤ガス(反応ガス)、例えば、酸素含有ガスを排出するための酸化剤ガス出口連通孔(反応ガス連通孔)30b、冷却媒体を排出するための冷却媒体出口連通孔32b、及び燃料ガス(反応ガス)、例えば、水素含有ガスを供給するための燃料ガス入口連通孔(反応ガス連通孔)34aが、矢印C方向(鉛直方向)に配列して設けられる。
燃料電池ユニット12の矢印B方向の他端縁部には、矢印A方向に互いに連通して、燃料ガスを排出するための燃料ガス出口連通孔(反応ガス連通孔)34b、冷却媒体を供給するための冷却媒体入口連通孔32a、及び酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス入口連通孔(反応ガス連通孔)30aが、矢印C方向に配列して設けられる。
図3に示すように、アノード側金属セパレータ14の第1電解質膜・電極構造体16aに向かう面14aには、後述するように、燃料ガス入口連通孔34aと燃料ガス出口連通孔34bとに連通し、矢印B方向に直線状に延在する第1燃料ガス流路(第1の反応ガス流路)36aが形成される。
図1に示すように、アノード側金属セパレータ14の面14bとカソード側金属セパレータ20の面20bとの間には、冷却媒体入口連通孔32aと冷却媒体出口連通孔32bとに連通する冷却媒体流路38が形成される。この冷却媒体流路38は、セパレータ面方向(矢印B方向)に直線状に延在する。
中間金属セパレータ18の第1電解質膜・電極構造体16aに向かう面18aには、酸化剤ガス入口連通孔30aと酸化剤ガス出口連通孔30bとに連通する第1酸化剤ガス流路(反応ガス流路)40aが形成される。酸化剤ガス入口連通孔30a及び酸化剤ガス出口連通孔30bの近傍には、第1酸化剤ガス流路40aの入口側及び出口側を覆ってブリッジ部42a、42bが配設される。
図4に示すように、中間金属セパレータ18の第2電解質膜・電極構造体16bに向かう面18bには、燃料ガス入口連通孔34aと燃料ガス出口連通孔34bとに連通し、矢印B方向に直線状に延在する第2燃料ガス流路(第2の反応ガス流路)36bが形成される。
図1に示すように、カソード側金属セパレータ20の第2電解質膜・電極構造体16bに向かう面20aには、矢印B方向に直線状に延在する第2酸化剤ガス流路(反応ガス流路)40bが設けられる。この第2酸化剤ガス流路40bは、酸化剤ガス入口連通孔30aと酸化剤ガス出口連通孔30bとに連通する。酸化剤ガス入口連通孔30a及び酸化剤ガス出口連通孔30bの近傍には、第2酸化剤ガス流路40bの入口側及び出口側を覆ってブリッジ部42a、42bが配設される。
アノード側金属セパレータ14の面14a、14bには、図1〜図3に示すように、このアノード側金属セパレータ14の外周端部を周回して、第1シール部材46が一体化される。この第1シール部材46は、アノード側金属セパレータ14の外周端部に近接して面14aに設けられる外側シール48aを備え、この外側シール48aから内方に所定の距離だけ離間して内側シール48bが設けられる。
外側シール48a及び内側シール48bは、先端先細り形状、台形状又は蒲鉾形状等、種々の断面形状が選択可能である。図3に示すように、外側シール48aは、酸化剤ガス入口連通孔30a、冷却媒体入口連通孔32a、燃料ガス出口連通孔34b、燃料ガス入口連通孔34a、冷却媒体出口連通孔32b及び酸化剤ガス出口連通孔30bを囲繞する。内側シール48bは、第1燃料ガス流路36aを囲繞するとともに、前記内側シール48bと外側シール48aとの間には、第1電解質膜・電極構造体16aの外周端部が配置される。
アノード側金属セパレータ14の面14bには、外側シール48aに対応する外側シール48cと、内側シール48bに対応する内側シール48dとが設けられる(図1参照)。外側シール48c及び内側シール48dは、上記の外側シール48a及び内側シール48bと同様の形状を有している。
図3に示すように、外側シール48aは、酸化剤ガス入口連通孔30aと第1酸化剤ガス流路40aとを連通する複数の受部50と、酸化剤ガス出口連通孔30bと前記第1酸化剤ガス流路40aとを連通する複数の受部52とを設ける。受部50により連通路50aが形成されるとともに、受部52により連通路52aが形成される。
図1に示すように、アノード側金属セパレータ14の面14bには、冷却媒体入口連通孔32aと冷却媒体流路38とを連通する複数の受部54と、冷却媒体出口連通孔32bと前記冷却媒体流路38とを連通する複数の受部56とが設けられる。受部54、56によりそれぞれ連通路54a、56aが形成される。面14bには、燃料ガス入口連通孔34a及び燃料ガス出口連通孔34bの近傍に、それぞれ複数の受部58、60が設けられる。受部58により複数の入口側連結通路62が形成される一方、受部60により複数の出口側連結通路64が形成される。
アノード側金属セパレータ14の面14aでは、図3に示すように、燃料ガス入口連通孔34aが外側シール48aに周回されるとともに、前記アノード側金属セパレータ14の面14bでは、受部58の周囲が外側シール48cと内側シール48dとにより囲繞される(図1参照)。受部58と燃料ガス入口連通孔34aとの間には、上記の外側シール48aにより囲繞される領域内と、上記の外側シール48cと内側シール48dとに囲繞される領域内とが重なる部分に対応して、複数の外側供給孔部(第3孔部)66aが貫通形成される。
受部58と第1燃料ガス流路36aとの間には、内側シール48bに囲繞される領域及び上記の外側シール48cと内側シール48dとに囲繞される領域とに対応して、複数の内側供給孔部(第1孔部)66bが貫通形成される。
すなわち、燃料ガス入口連通孔34aと第1燃料ガス流路36aとを連通する通路部が形成されるとともに、前記通路部は、外側供給孔部66aと内側供給孔部66bとを有する。なお、通路部には、3以上の供給孔部(図示せず)を設けることもできる。
受部60の近傍には、第1燃料ガス流路36aの終端近傍に位置して複数の内側排出孔部(第1孔部)68bが形成されるとともに、燃料ガス出口連通孔34bの近傍に対応して複数の外側排出孔部(第3孔部)68aが貫通形成される。
内側排出孔部68bは、面14a側の内側シール48bに囲繞される領域内と、面14b側の外側シール48cと内側シール48dとに囲繞される領域内とが重なる部分に対応して設けられる。外側排出孔部68aは、面14a側の燃料ガス出口連通孔34bを囲繞する外側シール48aの領域内と、面14b側の外側シール48c及び内側シール48dに囲繞される領域内とが重なる部分に対応して設けられる。
中間金属セパレータ18の面18a、18bには、この中間金属セパレータ18の外周端部を周回して、第2シール部材70が一体化される。第2シール部材70は、図1及び図4に示すように、中間金属セパレータ18の面18aに一体化される平面部72と、前記中間金属セパレータ18の面18bに一体化される外側シール48a及び内側シール48bとを備える。
中間金属セパレータ18は、燃料ガス入口連通孔34aの近傍に外側供給孔部66aと矢印A方向に重なり合って供給孔部(第2孔部)66cが形成されるとともに、燃料ガス出口連通孔34bの近傍には、外側排出孔部68aと矢印A方向に重なり合って排出孔部(第2孔部)68cが形成される。
外側供給孔部66aと内側供給孔部66bとは、同一の使用本数に設定されるとともに、供給孔部66cは、前記外側供給孔部66a及び前記内側供給孔部66bとは異なる使用本数に設定される。
第1の実施形態では、外側供給孔部66a及び内側供給孔部66bの圧力損失が、供給孔部66cの圧力損失より大きいため、前記外側供給孔部66a及び前記内側供給孔部66bの使用本数に対し、前記供給孔部66cの使用本数が少なく設定される。同様に、外側排出孔部68a及び内側排出孔部68bの使用本数に対し、排出孔部68cの使用本数が少なく設定される。
中間金属セパレータ18は、第1電解質膜・電極構造体16aに向かう面18aに第1酸化剤ガス流路40aが設けられる一方、第2電解質膜・電極構造体16bに向かう面18bに第2燃料ガス流路36bが形成される(図1、図2及び図4参照)。
図2に示すように、アノード側金属セパレータ14と中間金属セパレータ18との間には、燃料ガス入口連通孔34aに連通する共通通路80が形成され、この共通通路80は、外側供給孔部66aを介して入口側連結通路62に連通するととともに、供給孔部66cを介して前記中間金属セパレータ18の第2燃料ガス流路36bに連通する。
平面部72は、第1電解質膜・電極構造体16aの外周端部から外部に離間した位置を周回する。図2及び図4に示すように、外側シール48aは、カソード側金属セパレータ20に設けられている第1平面部76(後述する)に接触する一方、内側シール48bは、第2電解質膜・電極構造体16bを構成する固体高分子電解質膜22bに直接接触する。
図1及び図2に示すように、カソード側金属セパレータ20の面20a、20bには、このカソード側金属セパレータ20の外周端部を周回して、第3シール部材74が一体化される。
第3シール部材74は、カソード側金属セパレータ20の面20aに一体化される第1平面部76と、前記カソード側金属セパレータ20の面20bに一体化される第2平面部78とを備える。第2平面部78は、第1平面部76よりも長尺に構成される。
図2に示すように、第1平面部76は、第2電解質膜・電極構造体16bの外周端部から外部に離間した位置を周回する一方、第2平面部78は、カソード側電極26bの外周部分に所定の範囲にわたって積層方向に重合する位置を周回する。
図2に示すように、アノード側金属セパレータ14と中間金属セパレータ18との間には、燃料ガス入口連通孔34aと外側供給孔部66a及び供給孔部66cとを連通する共通通路80が形成される。アノード側金属セパレータ14と中間金属セパレータ18との間には、同様に、燃料ガス出口連通孔34bと外側排出孔部68a及び排出孔部68cとを連通する共通通路82が形成される(図1参照)。
このように構成される燃料電池10の動作について、以下に説明する。
先ず、図1に示すように、酸化剤ガス入口連通孔30aに酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス入口連通孔34aに水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、冷却媒体入口連通孔32aに純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体が供給される。
このため、酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔30aから中間金属セパレータ18の第1酸化剤ガス流路40a及びカソード側金属セパレータ20の第2酸化剤ガス流路40bに導入される(図5参照)。この酸化剤ガスは、第1酸化剤ガス流路40aに沿って矢印B方向に移動し、第1電解質膜・電極構造体16aのカソード側電極26aに供給されるとともに、第2酸化剤ガス流路40bに沿って矢印B方向に移動し、第2電解質膜・電極構造体16bのカソード側電極26bに供給される(図1及び図5参照)。
一方、燃料ガスは、図2に示すように、燃料ガス入口連通孔34aからアノード側金属セパレータ14と中間金属セパレータ18との間に形成された共通通路80に導入される。燃料ガスの一部は、共通通路80からアノード側金属セパレータ14の外側供給孔部66aを通って一旦面14b側に導入されるとともに、前記燃料ガスの他の一部は、供給孔部66cを通って中間金属セパレータ18の面18b側に導入される。
面14b側には、複数の受部58により入口側連結通路62が形成されており、燃料ガスの一部は、この入口側連結通路62を通って内側供給孔部66bから面14a側に移動し、第1燃料ガス流路36aに導入される。さらに、燃料ガスは、図3に示すように、第1燃料ガス流路36aに沿って矢印B方向に移動し、第1電解質膜・電極構造体16aのアノード側電極24aに供給される。
また、面18b側には、図4に示すように、第2燃料ガス流路36bが設けられており、燃料ガスの他の一部は、前記第2燃料ガス流路36bに沿って矢印B方向に移動し、第2電解質膜・電極構造体16bのアノード側電極24bに供給される。
従って、第1及び第2電解質膜・電極構造体16a、16bでは、カソード側電極26a、26bに供給される酸化剤ガスと、アノード側電極24a、24bに供給される燃料ガスとが、電極触媒層内で電気化学反応により消費されて発電が行われる。
次いで、カソード側電極26a、26bに供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス出口連通孔30bに沿って矢印A方向に排出される。
アノード側電極24aに供給されて消費された燃料ガスは、内側排出孔部68bから出口側連結通路64を通った後、外側排出孔部68aに導入され、共通通路82から燃料ガス出口連通孔34bに沿って矢印A方向に排出される。同様に、アノード側電極24bに供給されて消費された燃料ガスは、排出孔部68cを通って共通通路82に導入された後、燃料ガス出口連通孔34bに排出される。
また、冷却媒体入口連通孔32aに供給された冷却媒体は、図1に示すように、連通路54aを通ってアノード側金属セパレータ14とカソード側金属セパレータ20との間に形成された冷却媒体流路38に導入された後、矢印B方向に流通する。この冷却媒体は、第1及び第2電解質膜・電極構造体16a、16bを冷却した後、連通路56aから冷却媒体出口連通孔32bに排出される。
この場合、燃料ガス入口連通孔34aと第1燃料ガス流路36aとの間に、外側供給孔部66a及び内側供給孔部66bが設けられる一方、前記燃料ガス入口連通孔34aと第2燃料ガス流路36bとの間に、供給孔部66cが設けられている。
そして、第1の実施形態では、外側供給孔部66a及び内側供給孔部66bの圧力損失が、供給孔部66cの圧力損失より大きいため、前記外側供給孔部66a及び前記内側供給孔部66bの使用本数に対し、前記供給孔部66cの使用本数が少なく設定されている。
このため、外側供給孔部66a及び内側供給孔部66bを通って第1燃料ガス流路36aに供給される燃料ガスの圧力損失と、供給孔部66cを通って第2燃料ガス流路36bに供給される燃料ガスの圧力損失との差を吸収することができる。これにより、第1燃料ガス流路36aの流量と第2燃料ガス流路36bの流量との均一化を図ることが可能になり、燃料電池10全体の性能を良好に向上させることができるという効果が得られる。
同様に、内側排出孔部68b及び外側排出孔部68aの使用本数に対し、排出孔部68cの使用本数が少なく設定される。従って、第1燃料ガス流路36aの流量と第2燃料ガス流路36b流量とは、一層確実に均一化されるという利点がある。
しかも、第1の実施形態では、外側供給孔部66a及び内側供給孔部66bの使用本数に対し、供給孔部66cの使用本数を少なく設定するだけでよい。このため、アノード側金属セパレータ14及び中間金属セパレータ18の構成が複雑化することがなく、燃料電池10全体を経済的に製造することが可能になる。
なお、外側供給孔部66a及び内側供給孔部66b、又は、内側排出孔部68b及び外側排出孔部68aの一方のみ、使用本数を異ならせてもよい。
図6は、本発明の第2の実施形態に係る燃料電池90の要部分解斜視説明図である。なお、第1の実施形態に係る燃料電池10と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。また、以下に説明する第3の実施形態においても同様に、その詳細な説明は省略する。
燃料電池90を構成する燃料電池ユニット92は、アノード側金属セパレータ94、第1電解質膜・電極構造体16a、中間金属セパレータ95、第2電解質膜・電極構造体16b及びカソード側金属セパレータ20を設ける。
アノード側金属セパレータ94は、燃料ガス入口連通孔34aと第1燃料ガス流路36aと間に、複数の外側供給孔部(第3孔部)96a及び複数の内側供給孔部(第1孔部)96bを有する。アノード側金属セパレータ94は、燃料ガス出口連通孔34bと第1燃料ガス流路36aと間に、複数の外側排出孔部(第3孔部)98a及び複数の内側排出孔部(第1孔部)98bを有する。
中間金属セパレータ95は、燃料ガス入口連通孔34aの近傍に外側供給孔部96aと矢印A方向に重なり合って供給孔部(第2孔部)96cが形成されるとともに、燃料ガス出口連通孔34bの近傍には、外側排出孔部98aと矢印A方向に重なり合って排出孔部(第2孔部)98cが形成される。
第2の実施形態では、例えば、流路深さが異なるために、外側供給孔部96a及び内側供給孔部96bの圧力損失が、供給孔部96cの圧力損失よりも小さくなっている。従って、外側供給孔部96a及び内側供給孔部96bの使用本数に対し、供給孔部96cの使用本数が多く設定される。同様に、外側排出孔部98a及び内側排出孔部98bの使用本数に対し、排出孔部98cの使用本数が多く設定される。
これにより、第2の実施形態では、外側供給孔部96a及び内側供給孔部96bを通って第1燃料ガス流路36aに供給される燃料ガスの圧力損失と、供給孔部96cを通って第2燃料ガス流路36bに供給される燃料ガスの圧力損失との差を、確実に吸収することができる。
このため、第1燃料ガス流路36aの流量と第2燃料ガス流路36bの流量との均一化を図ることが可能になり、燃料電池10全体の性能の向上を図ることができる等、第1の実施形態と同様の効果が得られる。
図7は、本発明の第3の実施形態に係る燃料電池100の要部分解斜視説明図である。
燃料電池100を構成する燃料電池ユニット102は、アノード側金属セパレータ104、第1電解質膜・電極構造体16a、中間金属セパレータ18、第2電解質膜・電極構造体16b及びカソード側金属セパレータ20とを設ける。
アノード側金属セパレータ104は、燃料ガス入口連通孔34aと第1燃料ガス流路36aとの間に、複数の供給孔部(第1孔部)106を有する。供給孔部106は、実質的に内側供給孔部66bに対応する位置に設定される。燃料ガス入口連通孔34aと供給孔部106とは、面14b側で複数の通路108を介して連通する。
アノード側金属セパレータ104は、燃料ガス出口連通孔34bと第1燃料ガス流路36aとの間に、複数の排出孔部(第1孔部)110を有する。排出孔部110は、実質的に内側排出孔部68bに対応する位置に設定される。燃料ガス出口連通孔34bと排出孔部110とは、面14b側で複数の通路112を介して連通する。
中間金属セパレータ18は、面18a側で燃料ガス入口連通孔34aと供給孔部(第2孔部)66cとを連通する複数の通路114(図8参照)と、燃料ガス出口連通孔34bと排出孔部(第2孔部)68cとを連通する複数の通路116とを有する。
供給孔部106は、供給孔部66cよりも使用本数が多く設定されるとともに、排出孔部110は、排出孔部68cよりも使用本数が多く設定される。通路108は、通路114よりも使用本数が多く設定される一方、通路112は、通路116よりも使用本数が多く設定される。
この場合、特に第1燃料ガス流路36aの裏面に冷却媒体流路38が形成されるため、前記第1燃料ガス流路36aと第2燃料ガス流路36bとで、温度や湿度等の環境状態が異なっている。
そこで、第3の実施形態では、供給孔部106が、供給孔部66cよりも使用本数が多く設定されるとともに、排出孔部110が、排出孔部68cよりも使用本数が多く設定されている。換言すれば、通路108は、通路114よりも使用本数が多く設定される一方、通路112は、通路116よりも使用本数が多く設定されている。
これにより、温度や湿度等の環境状態が異なっている第1燃料ガス流路36a及び第2燃料ガス流路36bにおいて、水詰まりの発生を阻止し、均一な流量を確実に得ることが可能になるという効果が得られる。
10、90、100…燃料電池 12、92、102…燃料電池ユニット
14、94、104…アノード側金属セパレータ
16a、16b…電解質膜・電極構造体
18、95…中間金属セパレータ 20…カソード側金属セパレータ
22a、22b…固体高分子電解質膜 24a、24b…アノード側電極
26a、26b…カソード側電極 30a…酸化剤ガス入口連通孔
30b…酸化剤ガス出口連通孔 32a…冷却媒体入口連通孔
32b…冷却媒体出口連通孔 34a…燃料ガス入口連通孔
34b…燃料剤ガス出口連通孔 36a、36b…燃料ガス流路
38…冷却媒体流路 40a、40b…酸化剤ガス流路
66a、96a…外側供給孔部 66b、96b…内側供給孔部
66c、96c、106…供給孔部 68a、98a…外側排出孔部
68b、98b…内側排出孔部 68c、98c、110…排出孔部
80、82…共通通路 108、112、114、116…通路
14、94、104…アノード側金属セパレータ
16a、16b…電解質膜・電極構造体
18、95…中間金属セパレータ 20…カソード側金属セパレータ
22a、22b…固体高分子電解質膜 24a、24b…アノード側電極
26a、26b…カソード側電極 30a…酸化剤ガス入口連通孔
30b…酸化剤ガス出口連通孔 32a…冷却媒体入口連通孔
32b…冷却媒体出口連通孔 34a…燃料ガス入口連通孔
34b…燃料剤ガス出口連通孔 36a、36b…燃料ガス流路
38…冷却媒体流路 40a、40b…酸化剤ガス流路
66a、96a…外側供給孔部 66b、96b…内側供給孔部
66c、96c、106…供給孔部 68a、98a…外側排出孔部
68b、98b…内側排出孔部 68c、98c、110…排出孔部
80、82…共通通路 108、112、114、116…通路
Claims (4)
- 電解質の両側にそれぞれ電極を設けた電解質・電極構造体とセパレータとが積層され、前記セパレータを貫通して少なくとも燃料ガス又は酸化剤ガスである一方の反応ガスを流すための反応ガス連通孔が形成されるとともに、一方のセパレータには、前記一方の反応ガスを前記電解質・電極構造体の一方の電極面方向に沿って供給する反応ガス流路が設けられ、2以上の前記電解質・電極構造体を挟んでセパレータ面方向に延在する冷却媒体流路が設けられる燃料電池であって、
第1のセパレータには、前記一方の反応ガスを第1の電解質・電極構造体の一方の電極面方向に沿って供給する第1の反応ガス流路と、
前記第1のセパレータを貫通して前記反応ガス連通孔と前記第1の反応ガス流路とを連通する複数の第1孔部と、
が設けられ、
前記第1のセパレータに前記第1の電解質・電極構造体を介装して隣接する第2のセパレータには、前記一方の反応ガスを第2の電解質・電極構造体の一方の電極面方向に沿って供給する第2の反応ガス流路と、
前記第2のセパレータを貫通して前記反応ガス連通孔と前記第2の反応ガス流路とを連通する複数の第2孔部と、
が設けられ、
前記第1孔部と前記第2孔部とは、互いに異なる使用本数に設定されることを特徴とする燃料電池。 - 請求項1記載の燃料電池において、前記反応ガス連通孔と前記第1孔部とを連通する複数の第1通路と、
前記反応ガス連通孔と前記第2孔部とを連通する複数の第2通路と、
を設けるとともに、
前記第1通路と前記第2通路とは、互いに異なる使用本数に設定されることを特徴とする燃料電池。 - 請求項1又は2記載の燃料電池において、前記第1のセパレータには、前記第1のセパレータを貫通して前記第1孔部と前記反応ガス連通孔とを連通する複数の第3孔部が設けられることを特徴とする燃料電池。
- 請求項3記載の燃料電池において、前記第1のセパレータには、前記一方の電極面側とは反対の面側で前記第1孔部と前記第3孔部とを連通する連結通路が設けられることを特徴とする燃料電池。
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Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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WO2010140494A1 (ja) | 2009-06-04 | 2010-12-09 | 三菱製鋼株式会社 | チルト機構及びスライド装置 |
US9318760B2 (en) | 2012-08-27 | 2016-04-19 | Honda Motor Co., Ltd. | Fuel cell and method of operating fuel cell |
-
2007
- 2007-11-30 JP JP2007310239A patent/JP2009134996A/ja not_active Withdrawn
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