JP2022071445A - 燃料電池及び燃料電池スタック - Google Patents
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Abstract
【課題】傾斜した場合であっても、生成水を滞留させることなく排出できる燃料電池及び燃料電池スタックを提供する。
【解決手段】燃料ガス流路５８の水平方向の一端に連通し、電解質膜・電極構造体２８ａとセパレータ３０、３２との積層方向に燃料ガスを排出させるアノード排出連通孔３８ｂと、酸化剤ガス流路４８の水平方向の他端に連通し、積層方向に酸化剤ガスを排出させるカソード排出連通孔３４ｂと、を有する燃料電池１２及び燃料電池スタック１０において、最も下側のアノード排出連通孔３８ｂ２の底部７０ａよりも、最も下側のカソード排出連通孔３４ｂ２の底部６８ａを下方に設ける。
【選択図】図３
【解決手段】燃料ガス流路５８の水平方向の一端に連通し、電解質膜・電極構造体２８ａとセパレータ３０、３２との積層方向に燃料ガスを排出させるアノード排出連通孔３８ｂと、酸化剤ガス流路４８の水平方向の他端に連通し、積層方向に酸化剤ガスを排出させるカソード排出連通孔３４ｂと、を有する燃料電池１２及び燃料電池スタック１０において、最も下側のアノード排出連通孔３８ｂ２の底部７０ａよりも、最も下側のカソード排出連通孔３４ｂ２の底部６８ａを下方に設ける。
【選択図】図３
Description
本発明は、電解質膜・電極構造体の両側にセパレータが配置された燃料電池及び燃料電池スタックに関する。
一般的に、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる固体高分子電解質膜を採用している。燃料電池は、固体高分子電解質膜の一方の面にアノード電極が、固体高分子電解質膜の他方の面にカソード電極が、それぞれ配設された電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を備える。
上記の電解質膜・電極構造体はセパレータ（バイポーラ板）によって挟持されて燃料電池（発電セル）を構成する。燃料電池は、所定の数だけ積層されることにより、例えば、車載用燃料電池スタックとして使用される。
この種の燃料電池スタックは、積層された複数の燃料電池を積層方向に貫通して設けられる反応ガス供給連通孔（アノード供給連通孔及びカソード供給連通孔）及び反応ガス排出連通孔（アノード排出連通孔及びカソード排出連通孔）を備える。反応ガス供給連通孔及び反応ガス排出連通孔は、電極面に沿って反応ガスを供給する反応ガス流路（燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路）に連通する。
特許文献１に記載されているように、燃料電池の発電時には、燃料ガスと酸化剤ガスとの反応により生成水が発生する。生成水は、反応ガス流路を通じて反応ガス排出連通孔に流れ込む。特許文献１では、反応ガス排出連通孔に生成水が滞留すると反応ガスの流れが阻害されて発電性能が低下することが指摘されている。
燃料電池スタックを車両等に搭載する場合には、発電中に燃料電池スタックが傾斜することも想定される。しかしながら、従来の燃料電池スタックでは、その傾斜方向によっては反応ガス排出連通孔に生成水が滞留するおそれがあることが判明した。
そこで、本発明は、傾斜した場合であっても、生成水を滞留させることなく排出できる燃料電池及び燃料電池スタックを提供することを目的とする。
本発明の一観点は、電解質膜の両側にアノード電極及びカソード電極が配置されてなる電解質膜・電極構造体と、前記電解質膜・電極構造体の両面に配設されたセパレータと、前記電解質膜・電極構造体の前記アノード電極と一方の前記セパレータとの間に形成され、水平方向に燃料ガスを流通させる燃料ガス流路と、前記電解質膜・電極構造体の前記カソード電極と他方の前記セパレータとの間に形成され、水平方向に酸化剤ガスを流通させる酸化剤ガス流路と、を備え、前記電解質膜・電極構造体と前記セパレータとの積層方向が水平方向に沿った燃料電池であって、前記燃料電池の前記積層方向と直交する水平方向の一端下部には、前記燃料ガス流路に連通し、前記電解質膜・電極構造体と前記セパレータとの積層方向に前記燃料ガスを排出させるアノード排出連通孔が形成され、前記燃料電池の前記積層方向と直交する水平方向の他端下部には、前記酸化剤ガス流路に連通し、前記積層方向に前記酸化剤ガスを排出させるカソード排出連通孔が形成され、前記アノード排出連通孔の底部よりも、前記カソード排出連通孔の底部が下方に設けられる、燃料電池にある。
別の一観点は、上記観点の燃料電池が複数積層された積層体を備える、燃料電池スタックにある。
上記観点の燃料電池及び燃料電池スタックによれば、傾斜した場合であっても、生成水を滞留させることなく排出できる。
以下、本発明に係る燃料電池１２及び燃料電池スタック１０について好適な実施形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。なお、以下の説明において、燃料電池スタック１０の車両等への搭載時の配置における重力方向の上側を「上側又は上方」と呼び、重力方向の下側を「下側又は下方」と呼ぶ。
図１に示すように、実施形態に係る燃料電池スタック１０は、複数の燃料電池１２（発電セル）が水平方向（矢印Ａ方向）に積層された積層体１４を備える。燃料電池スタック１０は、例えば、図示しない燃料電池電気自動車等の輸送機器に搭載される。
積層体１４の積層方向（矢印Ａ方向）の一端には、ターミナルプレート１６ａ（電力取出プレート）、インシュレータ１８ａ及びエンドプレート２０ａが外方に向かって、順次配設される。積層体１４の積層方向の他端には、ターミナルプレート１６ｂ、インシュレータ１８ｂ及びエンドプレート２０ｂが外方に向かって、順次配設される。一方のインシュレータ１８ａは、積層体１４と一方のエンドプレート２０ａとの間に配置されている。他方のインシュレータ１８ｂは、積層体１４と他方のエンドプレート２０ｂとの間に配置されている。インシュレータ１８ａ、１８ｂは、例えば、ポリカーボネートやフェノール樹脂等の絶縁性材料で形成されている。
エンドプレート２０ａ、２０ｂは、横長（又は縦長）の長方形状に形成されている。エンドプレート２０ａ、２０ｂの各辺には、連結バー２４が配置される。各連結バー２４は、両端がエンドプレート２０ａ、２０ｂの内面に固定されており、複数の積層された燃料電池１２の積層方向（矢印Ａ方向）に締め付け荷重を付与する。なお、燃料電池スタック１０は、エンドプレート２０ａ、２０ｂを端板とする筐体を備え、その筐体内に積層体１４を収容するように構成してもよい。
燃料電池１２は、図２に示すように、樹脂枠付きＭＥＡ２８が、第１金属セパレータ３０及び第２金属セパレータ３２により挟持されることによって形成されている。第１金属セパレータ３０及び第２金属セパレータ３２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の断面を波形にプレス成形して構成される。第１金属セパレータ３０と第２金属セパレータ３２とは、外周部を溶接、ろう付け、かしめ等により一体に接合され、接合セパレータ３３を構成する。
樹脂枠付きＭＥＡ２８は、電解質膜・電極構造体２８ａ（以下、「ＭＥＡ２８ａ」という。）と、ＭＥＡ２８ａの外周部を周回するように設けられた樹脂枠部材４６とを備える。樹脂枠部材４６は、ＭＥＡ２８ａに接合されている。ＭＥＡ２８ａは、電解質膜４０と、電解質膜４０の一方の面（アノード面ともいう）に設けられたアノード電極４２と、電解質膜４０の他方の面（カソード面ともいう）に設けられたカソード電極４４とを有する。
電解質膜４０は、例えば、固体高分子電解質膜（陽イオン交換膜）である。固体高分子電解質膜は、例えば、水分を含んだパーフルオロスルホン酸の薄膜である。電解質膜４０は、アノード電極４２及びカソード電極４４に挟持される。電解質膜４０は、フッ素系電解質の他、ＨＣ（炭化水素）系電解質を使用することができる。
詳細は図示しないが、アノード電極４２は、電解質膜４０の一方の面に接合されるアノード電極触媒層と、そのアノード電極触媒層に積層されるアノード拡散層とを有する。カソード電極４４は、電解質膜４０の他方の面に接合されるカソード電極層と、そのカソード電極層に積層されるカソード拡散層とを有する。
燃料電池１２の長辺方向である矢印Ｂ方向（図２中、水平方向）の一端縁部には、積層方向に延在して、１個のカソード供給連通孔３４ａと、複数（例えば、２個）の冷却媒体排出連通孔３６ｂ及び複数（例えば、２個）のアノード排出連通孔３８ｂが設けられている。カソード供給連通孔３４ａ、複数の冷却媒体排出連通孔３６ｂ及び複数のアノード排出連通孔３８ｂは、それぞれ、積層体１４、インシュレータ１８ａ及びエンドプレート２０ａ（図１参照）を積層方向に貫通している。なお、カソード供給連通孔３４ａ、複数の冷却媒体排出連通孔３６ｂ及び複数のアノード排出連通孔３８ｂは、ターミナルプレート１６ａを貫通してもよい。
これらの連通孔は上下方向に略等間隔に配列して設けられる。アノード排出連通孔３８ｂは、一方の反応ガスである燃料ガスを排出する。燃料ガスは、特に限定されるものではないが、例えば、水分を含んだ水素ガス（水素含有ガス）である。カソード供給連通孔３４ａは、他方の反応ガスである酸化剤ガスを供給する。酸化剤ガスは、特に限定されるものではないが、例えば、水分を含む空気等の酸素含有ガスである。冷却媒体排出連通孔３６ｂは、冷却媒体を排出する。
カソード供給連通孔３４ａは、上下方向に離間して配置された２つの冷却媒体排出連通孔３６ｂの間に配置されている。複数のアノード排出連通孔３８ｂは、上側アノード排出連通孔３８ｂ１と、下側アノード排出連通孔３８ｂ２とを有する。上側アノード排出連通孔３８ｂ１は、上側の冷却媒体排出連通孔３６ｂの上方に配置されている。下側アノード排出連通孔３８ｂ２は、下側の冷却媒体排出連通孔３６ｂの下方に配置されている。すなわち、下側アノード排出連通孔３８ｂ２は、最下端のアノード排出連通孔３８ｂとなっている。
燃料電池１２の矢印Ｂ方向の他端縁部には、積層方向に互いに連通して、１個のアノード供給連通孔３８ａ、複数（例えば、２個）の冷却媒体供給連通孔３６ａ及び複数（例えば、２個）のカソード排出連通孔３４ｂが設けられる。アノード供給連通孔３８ａ、複数の冷却媒体供給連通孔３６ａ及び複数のカソード排出連通孔３４ｂは、それぞれ、積層体１４、インシュレータ１８ａ及びエンドプレート２０ａを積層方向に貫通している。アノード供給連通孔３８ａ、複数の冷却媒体供給連通孔３６ａ及び複数のカソード排出連通孔３４ｂは、ターミナルプレート１６ａを貫通してもよい。
図３及び図４に示すように、これらの連通孔は上下方向に略等間隔に配列して設けられる。アノード供給連通孔３８ａは、燃料ガスを供給する。冷却媒体供給連通孔３６ａは、冷却媒体を供給する。カソード排出連通孔３４ｂは、酸化剤ガスを排出する。
アノード供給連通孔３８ａは、上下方向に離間して配置された２つの冷却媒体供給連通孔３６ａの間に配置されている。複数のカソード排出連通孔３４ｂは、上側カソード排出連通孔３４ｂ１と、下側カソード排出連通孔３４ｂ２とを有する。上側カソード排出連通孔３４ｂ１は、上側の冷却媒体供給連通孔３６ａの上方に配置されている。下側カソード排出連通孔３４ｂ２は、下側の冷却媒体供給連通孔３６ａの下方に配置されている。本実施形態において、下側カソード排出連通孔３４ｂ２は、最下端のカソード排出連通孔３４ｂとなっている。
カソード供給連通孔３４ａ、複数のカソード排出連通孔３４ｂ、アノード供給連通孔３８ａ及び複数のアノード排出連通孔３８ｂの配置は、本実施形態に限定されるものではなく、要求される仕様に応じて適宜設定すればよい。カソード供給連通孔３４ａ、上側カソード排出連通孔３４ｂ１、冷却媒体供給連通孔３６ａ、冷却媒体排出連通孔３６ｂ、アノード供給連通孔３８ａ、及び上側アノード排出連通孔３８ｂ１は、矢印Ａ方向からの平面視で四角形状又はその他の多角形状に形成されてよい。
下側カソード排出連通孔３４ｂ２は、図６に示すように歪んだ四角形（平行四辺形）の角部を切り欠いた７角形状に形成されている。下側カソード排出連通孔３４ｂ２の形状は、第１金属セパレータ３０及び第２金属セパレータ３２において同一である。下側カソード排出連通孔３４ｂ２の下端には、水平方向（矢印Ｂ方向）に平行な直線状の底部６８ａが設けられている。底部６８ａの両側部には、上方に向けて斜めに広がるように傾斜した傾斜部６８ｂ、６８ｃが形成されている。傾斜部６８ｂの上方に下側カソード排出連通孔３４ｂ２と酸化剤ガス流路４８とを連通させるトンネル部６４が形成されている。なお、トンネル部６４は、他の連通孔３４ａ、３８ａ、３４ｂ１、３８ｂ１にも設けられている。下側カソード排出連通孔３４ｂ２において、底部６８ａからトンネル部６４の下端までの範囲には、酸化剤ガスとともに排出された水が一時的に滞留可能な水溜部３４ｂ３を構成する。水溜部３４ｂ３の範囲内であれば、滞留水がトンネル部６４を通じて発電面側に逆流することなく滞留可能である。水溜部３４ｂ３の滞留水は、やがて水抜孔７２を通じて排出されるため一時的に滞留されるにすぎない。水溜部３４ｂ３の容積は、下側カソード排出連通孔３４ｂ２の底部６８ａ付近の断面積が大きいほど増大する。水溜部３４ｂ３の容積を拡大するべく、底部６８ａは直線状の辺で構成されている。
図５に示すように、下側アノード排出連通孔３８ｂ２は、六角形状に形成されている。下側アノード排出連通孔３８ｂ２の下端は屈曲部よりなる底部７０ａで構成されており、その底部７０ａの両側部には、上方に向けて斜めに広がるように傾斜した傾斜部７０ｂ、７０ｃが形成されている。第２金属セパレータ３２において、下側アノード排出連通孔３８ｂ２は、傾斜部７０ｂの上方に下側アノード排出連通孔３８ｂ２と燃料ガス流路５８とを連通させるトンネル部６４（ブリッジ部）を有している。本実施形態においては、下側アノード排出連通孔３８ｂ２の底部７０ａとそのトンネル部６４（ブリッジ部）下端までの範囲には、排出される水が一時的に滞留可能な水溜部３８ｂ３を構成する。水溜部３８ｂ３の滞留水は、水抜孔８２から排出される。
下側カソード排出連通孔３４ｂ２及び下側アノード排出連通孔３８ｂ２は、燃料電池１２の発電面の化学反応によって発生した水の排出経路を兼ねている。そのため、発電面側に逆流することなく水を排出させるべく、下側カソード排出連通孔３４ｂ２の下側の一部分、及び下側アノード排出連通孔３８ｂ２の下側の一部分は、燃料電池１２の発電面の最下端部（最下端の酸化剤ガス流路４８又は燃料ガス流路５８）よりも、さらに下方に突出して設けられている。
さらに、図３に示すように、本実施形態においては、下側カソード排出連通孔３４ｂ２の下端部を構成する底部６８ａの位置Ｂ１が、下側アノード排出連通孔３８ｂ２の下端部を構成する底部７０ａの位置Ｂ２よりもさらに下方に配置されている。従って、下側カソード排出連通孔３４ｂ２の水溜部３４ｂ３（図３）の容積の方が、下側アノード排出連通孔３８ｂ２の水溜部３８ｂ３（図４）の容積よりも大きくなっている。
図１に示すように、カソード供給連通孔３４ａ、冷却媒体供給連通孔３６ａ及びアノード供給連通孔３８ａは、それぞれ、エンドプレート２０ａに設けられた入口３５ａ、３７ａ、３９ａに連通する。また、上側カソード排出連通孔３４ｂ１、下側カソード排出連通孔３４ｂ２、冷却媒体排出連通孔３６ｂ及び上側アノード排出連通孔３８ｂ１、及び下側アノード排出連通孔３８ｂ２は、それぞれ、エンドプレート２０ａに設けられた出口３５ｂ１、３５ｂ２、３７ｂ、３９ｂ１、３９ｂ２に連通する。
図２に示すように、樹脂枠部材４６の矢印Ｂ方向の一端縁部には、１個のカソード供給連通孔３４ａ、複数（例えば、２個）の冷却媒体排出連通孔３６ｂ及び複数（例えば、２個）のアノード排出連通孔３８ｂが設けられる。樹脂枠部材４６の矢印Ｂ方向の他端縁部には、１個のアノード供給連通孔３８ａ、複数（例えば、２個）の冷却媒体供給連通孔３６ａ及び複数（例えば、２個）のカソード排出連通孔３４ｂが設けられる。
樹脂枠部材４６を用いることなく、電解質膜４０を外方に突出させてもよい。また、外方に突出した電解質膜４０の両側に枠形状のフィルムを設けてもよい。
図３に示すように、第１金属セパレータ３０の樹脂枠付きＭＥＡ２８に向かう面３０ａには、電極面に向かって矢印Ｂ方向（水平方向）に酸化剤ガスを流通させる酸化剤ガス流路４８が設けられる。酸化剤ガス流路４８の矢印Ｂ方向の一端は、カソード供給連通孔３４ａに流体的に連通し、酸化剤ガス流路４８の矢印Ｂ方向の他端は、カソード排出連通孔３４ｂに流体的に連通する。酸化剤ガス流路４８は、矢印Ｂ方向に延在するとともに矢印Ｃ方向（重力方向）に並んだ複数本の凸部４８ａ間に直線状（又は波状）の酸化剤ガス流路溝４８ｂを有している。
カソード供給連通孔３４ａと酸化剤ガス流路４８との間には、プレス成形により、複数個のエンボス部を有する入口バッファ部５０ａが設けられる。カソード排出連通孔３４ｂと酸化剤ガス流路４８との間には、プレス成形により、複数個のエンボス部を有する出口バッファ部５０ｂが設けられる。
第１金属セパレータ３０の面３０ａには、プレス成形により、複数のメタルビードシールが樹脂枠付きＭＥＡ２８に向かって膨出して形成されている。メタルビードシールに代えて、弾性材料からなる凸状弾性シールが設けられてもよい。複数のメタルビードシールは、外周ビード部５２ａと、複数の連通孔ビード部５２ｂを有する。外周ビード部５２ａは、面３０ａの酸化剤ガス流路４８、カソード供給連通孔３４ａ及びカソード排出連通孔３４ｂの外周を周回し、且つこれらを連通させる。
複数の連通孔ビード部５２ｂは、アノード供給連通孔３８ａ、アノード排出連通孔３８ｂ、冷却媒体供給連通孔３６ａ及び冷却媒体排出連通孔３６ｂをそれぞれ周回する。なお、必要に応じて、面３０ａの外周部を周回する外側ビードシールをさらに設けてもよい。
図４に示すように、第２金属セパレータ３２の樹脂枠付きＭＥＡ２８に向かう面３２ａには、電極面に沿って矢印Ｂ方向（水平方向）に燃料ガスを流通させる燃料ガス流路５８が設けられる。燃料ガス流路５８の矢印Ｂ方向の他端は、アノード供給連通孔３８ａに流体的に連通し、燃料ガス流路５８の矢印Ｂ方向の一端は、アノード排出連通孔３８ｂに流体的に連通する。燃料ガス流路５８は、矢印Ｂ方向に延在するとともに矢印Ｃ方向（重力方向）に並んだ複数本の凸部５８ａ間に直線状又は波状の燃料ガス流路溝５８ｂを有する。
アノード供給連通孔３８ａと燃料ガス流路５８との間には、プレス成形により形成された複数個のエンボス部を有する入口バッファ部６０ａが設けられる。アノード排出連通孔３８ｂと燃料ガス流路５８との間には、プレス成形により形成された複数個のエンボス部を有する出口バッファ部６０ｂが設けられている。
第２金属セパレータ３２の面３２ａには、プレス成形により、複数のメタルビードシールが、樹脂枠付きＭＥＡ２８に向かって膨出成形される。メタルビードシールに代えて、弾性材料からなる凸状弾性シールが設けられてもよい。複数のメタルビードシールは、外周ビード部６２ａと、複数の連通孔ビード部６２ｂとを有する。外周ビード部６２ａは、燃料ガス流路５８、アノード供給連通孔３８ａ及びアノード排出連通孔３８ｂの外周を周回し、これらを連通させる。
複数の連通孔ビード部６２ｂは、カソード供給連通孔３４ａ、カソード排出連通孔３４ｂ、冷却媒体供給連通孔３６ａ及び冷却媒体排出連通孔３６ｂをそれぞれ周回する。なお、外周ビード部６２ａのさらに外側に、面３２ａの外周部に沿って周回する外側ビード部をさらに設けてもよい。
図２に示すように、溶接又はロウ付けにより互いに接合される第１金属セパレータ３０の面３０ｂと第２金属セパレータ３２の面３２ｂとの間には、冷却媒体供給連通孔３６ａと冷却媒体排出連通孔３６ｂとに流体的に連通する冷却媒体流路６６が形成される。冷却媒体流路６６は、酸化剤ガス流路４８が形成された第１金属セパレータ３０の裏面形状と、燃料ガス流路５８が形成された第２金属セパレータ３２の裏面形状とが重なり合って形成される。
図３の上側カソード排出連通孔３４ｂ１と下側カソード排出連通孔３４ｂ２とは、紙面奥側にて互いに連結されており、さらに水抜孔７２と連通している。カソード排出連通孔３４ｂに流れ込んだ生成水は、水抜孔７２から排出される。また、上側アノード排出連通孔３８ｂ１と下側アノード排出連通孔３８ｂ２とは、図４の紙面奥側にて互いに連結されており、さらに水抜孔８２と連通している。アノード排出連通孔３８ｂに流れ込んだ生成水は、水抜孔８２から排出される。
以上のように構成される燃料電池スタック１０の動作について、以下に説明する。
図１に示すように、酸化剤ガスがエンドプレート２０ａのカソード供給連通孔３４ａに供給される。また、燃料ガスがエンドプレート２０ａのアノード供給連通孔３８ａに供給される。純水やエチレングリコール又はオイル等の冷却媒体が、エンドプレート２０ａの冷却媒体供給連通孔３６ａに供給される。
酸化剤ガスは、図２及び図３に示すように、カソード供給連通孔３４ａから第１金属セパレータ３０の酸化剤ガス流路４８に導入される。酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路４８に沿って矢印Ｂ方向に移動し、ＭＥＡ２８ａのカソード電極４４に供給される。
一方、燃料ガスは、図２及び図４に示すように、アノード供給連通孔３８ａから第２金属セパレータ３２の燃料ガス流路５８に導入される。燃料ガスは、燃料ガス流路５８に沿って矢印Ｂ方向に移動し、ＭＥＡ２８ａのアノード電極４２に供給される。
従って、各ＭＥＡ２８ａでは、カソード電極４４に供給される酸化剤ガスと、アノード電極４２に供給される燃料ガスとが、カソード電極触媒層及びアノード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。アノード電極触媒層では、燃料ガス中の水素から電子が奪われて水素イオンが生じ、その水素イオンが電解質膜４０を伝導してカソード側に移動する。そして、カソード電極触媒層において、水素イオンと酸化剤ガス中の酸素とが反応して生成水が発生する。このように、カソード側において生成水が発生する。発生した生成水の一部は、電解質膜４０を通じてアノード側に移動する。
次に、カソード電極４４に供給されて消費された酸化剤ガスは、上側カソード排出連通孔３４ｂ１及び下側カソード排出連通孔３４ｂ２に分かれて流入し、矢印Ａ方向に排出される。生成水の大部分は、酸化剤ガスの流れに従って、酸化剤ガス流路４８を矢印Ｂ方向に移動し、出口バッファ部５０ｂを通じて、上側カソード排出連通孔３４ｂ１及び下側カソード排出連通孔３４ｂ２に流れ込む。生成水は、重力の作用下に、主に下側カソード排出連通孔３４ｂ２を通じて排出される。
一方、アノード電極４２に供給されて消費された燃料ガスは、図２及び図４に示すように、上側アノード排出連通孔３８ｂ１及び下側アノード排出連通孔３８ｂ２に分かれて流入し、矢印Ａ方向に排出される。生成水の一部は、燃料ガスの流れに従って燃料ガス流路５８を矢印Ｂ方向に移動し、出口バッファ部６０ｂを通じて上側アノード排出連通孔３８ｂ１及び下側アノード排出連通孔３８ｂ２に流れる。生成水は、重力の作用下に、主に下側アノード排出連通孔３８ｂ２を通じて排出される。
下側アノード排出連通孔３８ｂ２は、その下端部側が最下部の燃料ガス流路５８よりもさらに下方に突出する。これにより、図５に示すように、燃料電池スタック１０が、下側アノード排出連通孔３８ｂ２が下側カソード排出連通孔３４ｂ２よりも高くなるように傾斜した場合であっても、下側アノード排出連通孔３８ｂ２に流れ込んだ生成水の燃料ガス流路５８側への逆流を抑制できる。
また、図６に示すように、下側カソード排出連通孔３４ｂ２は、その下側の一部分が最も下端側の酸化剤ガス流路４８よりもさらに下端側に突出する。すなわち、より多くの生成水が滞留する可能性のある下側カソード排出連通孔３４ｂ２の底部６８ａの位置Ｂ１が、下側アノード排出連通孔３８ｂ２の底部７０ａの位置Ｂ２よりも下方に配置されている。これにより、燃料電池スタック１０が、下側カソード排出連通孔３４ｂ２が下側アノード排出連通孔３８ｂ２よりも高くなるように傾斜した場合であっても、下側カソード排出連通孔３４ｂ２に流れ込んだ生成水の酸化剤ガス流路４８側への逆流を抑制できる。
また、下側カソード排出連通孔３４ｂ２は、下端部が水平方向に延びる直線状の辺よりなる底部６８ａで構成されるとともに、その両側部が傾斜部６８ｂ、６８ｃにより、大きな断面積を有しているため、より多くの滞留水を流すことができる。
本実施形態の燃料電池１２及び燃料電池スタック１０は、以下の効果を奏する。
本実施形態の燃料電池１２は、電解質膜４０の両側にアノード電極４２及びカソード電極４４が配置されてなる電解質膜・電極構造体２８ａと、電解質膜・電極構造体２８ａの両面に配設されたセパレータ（第１金属セパレータ３０及び第２金属セパレータ３２）と、電解質膜・電極構造体２８ａのアノード電極４２とセパレータとの間に形成され、水平方向に燃料ガスを流通させる燃料ガス流路５８と、電解質膜・電極構造体２８ａのカソード電極４４とセパレータとの間に形成され、水平方向に酸化剤ガスを流通させる酸化剤ガス流路４８と、燃料ガス流路５８の水平方向の一端に連通し、電解質膜・電極構造体２８ａとセパレータとの積層方向に燃料ガスを排出させるアノード排出連通孔３８ｂと、酸化剤ガス流路４８の水平方向の他端に連通し、積層方向に酸化剤ガスを排出させるカソード排出連通孔３４ｂと、を有し、最も下側のアノード排出連通孔３８ｂの底部７０ａよりも、最も下側のカソード排出連通孔３４ｂの底部６８ａを下方に設ける。
上記の構成では、生成水の大部分を排出する最も下側のカソード排出連通孔３４ｂの底部６８ａを、最も下側のアノード排出連通孔３８ｂの底部７０ａよりも下方に設ける。これにより、燃料電池１２が傾斜した場合であっても、カソード排出連通孔３４ｂの生成水が逆流して酸化剤ガス流路４８が生成水によって閉塞される事象を防止できる。
上記の燃料電池１２において、アノード排出連通孔３８ｂ及びカソード排出連通孔３４ｂは、多角形状に形成されるとともに、底部６８ａ、７０ａを構成する頂点又は辺に隣接する両側部に、斜め上方に広がるように傾斜した傾斜部６８ｂ、６８ｃ、７０ｂ、７０ｃを有してもよい。この構成によれば、燃料電池１２が傾斜した場合でも、生成水の逆流を抑制できる。
上記の燃料電池１２において、さらに、カソード排出連通孔３４ｂの周囲を囲むように設けられた連通孔ビード部５２ｂと、連通孔ビード部５２ｂを貫通してカソード排出連通孔３４ｂと酸化剤ガス流路４８とを連通させるトンネル部６４と、を有し、トンネル部６４は、傾斜部６８ｂよりも上方に配置されてもよい。この構成によれば、生成水が滞留する部位よりも上方にトンネル部６４が配置されることにより、トンネル部６４が生成水の液滴によって閉塞されるのを防ぐことができる。
上記の燃料電池１２において、カソード排出連通孔３４ｂの底部６８ａは直線状の辺によって構成されてもよい。これにより、カソード排出連通孔３４ｂの底部６８ａ付近の流路断面を大きくすることができ、より多くの生成水をカソード排出連通孔３４ｂ内に保持できる。
上記の燃料電池１２において、カソード排出連通孔３４ｂの底部６８ａ及びアノード排出連通孔３８ｂの底部７０ａは、発電面の下端部よりも下方に形成されてもよい。
本実施形態の燃料電池スタック１０は、燃料電池１２が複数積層された積層体１４を備える。この燃料電池スタック１０によれば、傾斜した場合であっても、生成水を滞留させることなく排出できる。
上記において、本発明について好適な実施形態を挙げて説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、種々の改変が可能なことは言うまでもない。
１０…燃料電池スタック １２…燃料電池
１４…積層体 ２８ａ…電解質膜・電極構造体
３４ｂ…カソード排出連通孔 ３８ｂ…アノード排出連通孔
４０…電解質膜 ４２…アノード電極
４４…カソード電極 ４８…酸化剤ガス流路
５２ｂ、６２ｂ…連通孔ビード部 ５８…燃料ガス流路
６４…トンネル部 ６８ａ、７０ａ…底部
６８ｂ、６８ｃ、７０ｂ、７０ｃ…傾斜部
１４…積層体 ２８ａ…電解質膜・電極構造体
３４ｂ…カソード排出連通孔 ３８ｂ…アノード排出連通孔
４０…電解質膜 ４２…アノード電極
４４…カソード電極 ４８…酸化剤ガス流路
５２ｂ、６２ｂ…連通孔ビード部 ５８…燃料ガス流路
６４…トンネル部 ６８ａ、７０ａ…底部
６８ｂ、６８ｃ、７０ｂ、７０ｃ…傾斜部
Claims (6)
- 電解質膜の両側にアノード電極及びカソード電極が配置されてなる電解質膜・電極構造体と、
前記電解質膜・電極構造体の両面に配設されたセパレータと、
前記電解質膜・電極構造体の前記アノード電極と一方の前記セパレータとの間に形成され、水平方向に燃料ガスを流通させる燃料ガス流路と、
前記電解質膜・電極構造体の前記カソード電極と他方の前記セパレータとの間に形成され、水平方向に酸化剤ガスを流通させる酸化剤ガス流路と、
を備え、前記電解質膜・電極構造体と前記セパレータとの積層方向が水平方向に沿った燃料電池であって、
前記燃料電池の前記積層方向と直交する水平方向の一端下部には、前記燃料ガス流路に連通し、前記電解質膜・電極構造体と前記セパレータとの積層方向に前記燃料ガスを排出させるアノード排出連通孔が形成され、
前記燃料電池の前記積層方向と直交する水平方向の他端下部には、前記酸化剤ガス流路に連通し、前記積層方向に前記酸化剤ガスを排出させるカソード排出連通孔が形成され、
前記アノード排出連通孔の底部よりも、前記カソード排出連通孔の底部が下方に設けられる、
燃料電池。 - 請求項１記載の燃料電池であって、前記アノード排出連通孔及び前記カソード排出連通孔の各々は、多角形状に形成されるとともに、前記底部を構成する頂点又は辺に隣接する両側部に、斜め上方に広がるように傾斜した傾斜部を有する、燃料電池。
- 請求項２記載の燃料電池であって、さらに、前記カソード排出連通孔の周囲を囲むように設けられた連通孔ビード部と、前記連通孔ビード部を貫通して前記カソード排出連通孔と前記酸化剤ガス流路とを連通させるトンネル部と、を有し、
前記トンネル部は、前記傾斜部よりも上方に配置されている、燃料電池。 - 請求項１～３のいずれか１項に記載の燃料電池であって、前記カソード排出連通孔の前記底部は直線状の辺によって構成される、燃料電池。
- 請求項１～４のいずれか１項に記載の燃料電池であって、前記カソード排出連通孔の底部及び前記アノード排出連通孔の底部は、発電面の下端部よりも下方に形成されている、燃料電池。
- 請求項１～５のいずれか１項に記載の燃料電池が複数積層された積層体を備える、燃料電池スタック。
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