JP2006331688A - Fuel cell - Google Patents
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Abstract
【課題】 カソード電極側の排水性が向上し、積層方向にかかる面圧が均一である燃料電池を提供する。
【解決手段】 MEA10のアノード電極12側には、セパレータ14が、カソード電極13側には、セパレータ15が各々積層され、セパレータ14のアノード電極12と対向する面には複数の凸部31が、セパレータ15のカソード電極13と対向する面には複数の凸部41が配設され、積層方向から見て、凸部31は、X方向の最大長さ(LAX)がY方向の最大長さ(LAY)よりも長く、X方向の最大長さ(LAX)は、凸部41のX方向の最大長さ(LCX)の奇数倍と略同一であり、Y方向の最大長さ(LAY)は、凸部41のY方向の最大長さ(LCY)と略同一であり、凸部41同士のX方向の間隔は、凸部41のX方向の最大長さ(LCX)と略同一であり、凸部31と凸部41が積層方向で重ねられてなる燃料電池1である。
【選択図】 図6
PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell with improved drainage on the cathode electrode side and uniform surface pressure applied in the stacking direction.
A separator 14 is laminated on the anode electrode 12 side of the MEA 10 and a separator 15 is laminated on the cathode electrode 13 side, and a plurality of convex portions 31 are formed on the surface of the separator 14 facing the anode electrode 12. A plurality of convex portions 41 are disposed on the surface of the separator 15 facing the cathode electrode 13, and the maximum length in the X direction (L AX ) of the convex portion 31 is the maximum length in the Y direction when viewed from the stacking direction. Longer than (L AY ), the maximum length in the X direction (L AX ) is substantially the same as an odd multiple of the maximum length in the X direction (L CX ) of the convex portion 41, and the maximum length in the Y direction ( L AY ) is substantially the same as the maximum length (L CY ) of the convex portions 41 in the Y direction, and the interval between the convex portions 41 in the X direction is the maximum length (L CX ) of the convex portions 41 in the X direction. This is the fuel cell 1 in which the protrusion 31 and the protrusion 41 are overlapped in the stacking direction.
[Selection] Figure 6
Description
本発明は、表面に複数の凸部が形成され且つ当該複数の凸部によって流体流路を画定してなるセパレータを備えた燃料電池に関する。 The present invention relates to a fuel cell including a separator having a plurality of protrusions formed on a surface and defining a fluid flow path by the plurality of protrusions.
従来から、一般的な固体高分子型燃料電池は、イオン交換膜からなる電解質膜と、この電解質膜の一方の面に配置されたアノード電極(燃料極)と、前記電解質膜の他方の面に配置されたカソード電極(酸化剤極)からなる膜−電極接合体(MEA:Membrane Electrode Assembly、以下、単に「MEA」という)と、このMEAを挟んだ両側に各々配設されたセパレータにより単セルを構成し、この単セルを複数積層して燃料電池スタックとしているものがある。 Conventionally, a general polymer electrolyte fuel cell has an electrolyte membrane made of an ion exchange membrane, an anode electrode (fuel electrode) disposed on one surface of the electrolyte membrane, and the other surface of the electrolyte membrane. A single cell is formed by a membrane-electrode assembly (MEA) consisting of an arranged cathode electrode (oxidant electrode) and separators disposed on both sides of the MEA. And a plurality of single cells are stacked to form a fuel cell stack.
このような燃料電池に使用されるセパレータとしては、前記MEAと対向する面側に凹凸形状が形成されており、凸部が前記電極に接触し、凹部がガスを流通させるためのガス流路となるものがある。すなわち、前記アノード電極側に配設されたセパレータは、このガス流路に燃料ガス(例えば、水素を含むガス)を流通させてアノード電極に燃料ガスを供給すると共に、前記凸部の頂面がアノード電極と接触し、前記カソード電極側に配設されたセパレータは、このガス流路に酸化剤ガス(例えば、酸素を含むガス、通常は空気)を流通させてカソード電極に酸化剤ガスを供給すると共に、前記凸部の頂面がカソード電極と接触する構成となっている。また、前記ガス流路は、燃料電池で行われた電気化学反応によって生じた生成水等の水分を外部に排出する役割も果たしている。 As a separator used in such a fuel cell, a concavo-convex shape is formed on the surface facing the MEA, a convex portion is in contact with the electrode, and a concave portion is a gas flow path for circulating gas. There is something to be. That is, the separator disposed on the anode electrode side supplies a fuel gas to the anode electrode by flowing a fuel gas (for example, a gas containing hydrogen) through the gas flow path, and the top surface of the convex portion is The separator in contact with the anode electrode and disposed on the cathode electrode side supplies an oxidant gas to the cathode electrode by flowing an oxidant gas (for example, a gas containing oxygen, usually air) through the gas flow path. In addition, the top surface of the convex portion is in contact with the cathode electrode. The gas channel also plays a role of discharging moisture such as generated water generated by an electrochemical reaction performed in the fuel cell to the outside.
前記燃料電池では、その発電特性を向上させるため、前記生成水を前記ガス流路から外部に効率よく排出することが要求されている。そこで、生成水を積極的に外部に排出することが可能な燃料電池用セパレータとして、例えば、ガス流路領域の外形が線対称形状であって、線対称軸上にガス供給口とガス排出口とを同軸配列し、当該ガス供給口から線対称軸方向に供給されるガス流を順次分流する複数の凸部を、前記ガス流路領域に配列し、これら複数の凸部により前記ガス流路を画成した構成を備えたものが紹介されている。このセパレータは、アノード電極側に形成された前記凸部と、カソード電極側に形成された前記凸部が、同じ形状(セル積層方向に垂直な断面形状が略正方形)を有している。(例えば、特許文献1参照)。 In the fuel cell, in order to improve the power generation characteristics, it is required to efficiently discharge the generated water to the outside from the gas flow path. Therefore, as a fuel cell separator capable of positively discharging generated water to the outside, for example, the outer shape of the gas flow path region is a line-symmetric shape, and the gas supply port and the gas discharge port are on the line-symmetric axis. Are arranged in the gas flow channel region, and the gas flow channel is arranged by the plurality of convex portions. The one with the composition which defined is introduced. In this separator, the convex portion formed on the anode electrode side and the convex portion formed on the cathode electrode side have the same shape (the cross-sectional shape perpendicular to the cell stacking direction is substantially square). (For example, refer to Patent Document 1).
また、天然黒鉛粉末を熱硬化性樹脂で結合してなる複合体から構成され、表面に所定形状のリブ部が形成された燃料電池用セパレータも紹介されている。この燃料電池用セパレータも、アノード電極側に形成されたリブと、カソード電極側に形成されたリブが同じ形状(セル積層方向に垂直な断面形状が略正方形)を有している。(例えば、特許文献2参照)。
しかしながら、特許文献1及び特許文献2に記載された燃料電池用セパレータは、アノード電極と対向する面(接触する面)に形成された凸部(リブ)と、カソード電極と対向する面に形成された凸部(リブ)が、同じ形状を備えているため、生成水等、外部に排出すべき水分が多く存在するカソード電極側と、外部に排出すべき水分が比較的少ないアノード電極側とで、同じ形状のガス流路が形成されることになる。したがって、アノード電極側に比べてカソード電極側の排水性が相対的に低下するという現象が生じる。 However, the fuel cell separators described in Patent Document 1 and Patent Document 2 are formed on the convex portion (rib) formed on the surface (contact surface) facing the anode electrode and on the surface facing the cathode electrode. Since the protrusions (ribs) have the same shape, the cathode electrode side where there is a lot of moisture to be discharged to the outside, such as generated water, and the anode electrode side where the moisture to be discharged to the outside is relatively small A gas flow path having the same shape is formed. Therefore, a phenomenon occurs in which the drainage on the cathode electrode side is relatively lowered as compared with the anode electrode side.
本発明は、このような事情に鑑みなされたものであり、カソード電極側の排水性を向上させると共に、積層方向にかかる面圧を均一にすることが可能な燃料電池用セパレータを備えた燃料電池を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and a fuel cell including a fuel cell separator capable of improving the drainage on the cathode electrode side and making the surface pressure applied in the stacking direction uniform. The purpose is to provide.
この目的を達成するため本発明は、電解質の一方の面にアノード電極が配設され、他方の面にカソード電極が配設されてなり、前記アノード電極及びカソード電極の電解質が配設された面とは反対側の面に各々配設され且つ前記電極と対向する面に形成された複数の凸部によって流体流路を画定してなるセパレータと、を備えてなる燃料電池であって、前記複数の凸部は、前記セパレータの表面と平行な少なくとも2方向であるX方向及びY方向に互いに離隔して配列され、前記積層方向から見て、前記アノード電極と対向する面に形成された凸部は、X方向の最大長さ(LAX)がY方向の最大長さ(LAY)よりも長く、X方向の最大長さ(LAX)は、前記カソード電極と対向する面に形成された凸部のX方向の最大長さ(LCX)の奇数倍と略同一であり、Y方向の最大長さ(LAY)は、前記カソード電極と対向する面に形成された凸部のY方向の最大長さ(LCY)と略同一であり、前記積層方向から見て、前記カソード電極と対向する面に形成された凸部同士のX方向の間隔は、この凸部のX方向の最大長さ(LCX)と略同一であり、前記アノード電極と対向する面に形成された凸部と、前記カソード電極と対向する面に形成された凸部が、前記積層方向で重ねられてなる燃料電池を提供するものである。 In order to achieve this object, the present invention provides an anode electrode disposed on one surface of an electrolyte, a cathode electrode disposed on the other surface, and a surface on which the anode electrode and the electrolyte of the cathode electrode are disposed. And a separator that defines a fluid flow path by a plurality of convex portions that are respectively disposed on a surface opposite to the electrode and formed on a surface facing the electrode. The protrusions are arranged at a distance from each other in the X direction and the Y direction, which are at least two directions parallel to the surface of the separator, and are formed on the surface facing the anode electrode when viewed from the stacking direction. The maximum length in the X direction (L AX ) is longer than the maximum length in the Y direction (L AY ), and the maximum length in the X direction (L AX ) is formed on the surface facing the cathode electrode. Odd multiple of maximum length (L CX ) of convex part in X direction And the maximum length (L AY ) in the Y direction is substantially the same as the maximum length (L CY ) in the Y direction of the convex portion formed on the surface facing the cathode electrode, When viewed from the direction, the distance in the X direction between the protrusions formed on the surface facing the cathode electrode is substantially the same as the maximum length (L CX ) of the protrusions in the X direction. The present invention provides a fuel cell in which a convex portion formed on an opposing surface and a convex portion formed on a surface facing the cathode electrode are overlapped in the stacking direction.
この構成を備えた燃料電池は、セパレータの表面と平行な少なくとも2方向であるX方向及びY方向に互いに離隔して配列された複数の凸部によって流体流路が形成されているため、この流体流路を流通する流体(燃料ガス、酸化剤ガス、生成水等)は、当該凸部により効率よく分流され、生成水は、燃料電池の電気化学反応で使用された後の排出ガスと共に効率よく外部に排出される。 In the fuel cell having this configuration, the fluid flow path is formed by a plurality of convex portions that are spaced apart from each other in the X direction and the Y direction, which are at least two directions parallel to the surface of the separator. The fluid (fuel gas, oxidant gas, generated water, etc.) flowing through the flow path is efficiently diverted by the convex portion, and the generated water is efficiently combined with the exhaust gas after being used in the electrochemical reaction of the fuel cell. It is discharged outside.
また、前述したX方向及びY方向における長さの関係から、積層方向から見て、アノード電極と対向する面に形成された凸部が、カソード電極と対向する面に形成された凸部よりも、前記大きい面積を有することになる。すなわち、外部に排出すべき水が多く存在するカソード電極側の流体流路を、アノード電極側の流体流路よりも広くとることができる。したがってカソード電極側の排水性をさらに向上することができる。 Further, due to the relationship between the lengths in the X direction and the Y direction described above, the convex portion formed on the surface facing the anode electrode as viewed from the stacking direction is more than the convex portion formed on the surface facing the cathode electrode. The large area. That is, the fluid flow path on the cathode electrode side where a large amount of water to be discharged to the outside exists can be made wider than the fluid flow path on the anode electrode side. Therefore, drainage on the cathode electrode side can be further improved.
さらにまた、アノード電極と対向する面に形成された凸部と、カソード電極と対向する面に形成された凸部が、前記積層方向で常に重ねられるため、積層方向にかかる面圧を均一にすることができる。 Furthermore, since the convex portion formed on the surface facing the anode electrode and the convex portion formed on the surface facing the cathode electrode are always overlapped in the stacking direction, the surface pressure applied in the stacking direction is made uniform. be able to.
また、本発明にかかる燃料電池では、前記積層方向から見て、前記カソード電極と対向する面に形成された凸部同士のX方向の間隔は、前記アノード電極と対向する面に形成された凸部同士のX方向の間隔と略同一とすることができる。 Further, in the fuel cell according to the present invention, when viewed from the stacking direction, the interval in the X direction between the protrusions formed on the surface facing the cathode electrode is a protrusion formed on the surface facing the anode electrode. It can be made substantially the same as the space | interval of the X direction of parts.
そしてまた、前記積層方向から見て、前記カソード電極と対向する面に形成された凸部同士のY方向の間隔は、前記アノード電極と対向する面に形成された凸部同士のY方向の間隔と略同一と略同一とすることができる。 Further, when viewed from the stacking direction, the spacing in the Y direction between the convex portions formed on the surface facing the cathode electrode is the spacing in the Y direction between the convex portions formed on the surface facing the anode electrode. And substantially the same.
また、本発明にかかる燃料電池では、前記アノード電極と対向する面に形成された凸部の形状は、前述した条件を満たすものであれば特に限定されるものではないが、例えば、前記積層方向から見て、前記X方向に長い略長方形となるよう構成することができる。また、この凸部は、前記積層方向から見て、前記X方向に長い長丸形状や楕円形状、あるいは多角形等、他の形状とすることもできる。 In the fuel cell according to the present invention, the shape of the convex portion formed on the surface facing the anode electrode is not particularly limited as long as the above-described conditions are satisfied. When viewed from the side, it can be configured to be a substantially rectangular shape that is long in the X direction. Moreover, this convex part can also be made into other shapes, such as a long round shape, an ellipse shape, or a polygon long in the said X direction seeing from the said lamination direction.
また、本発明にかかる燃料電池では、前記カソード電極と対向する面に形成された凸部の形状は、前述した条件を満たすものであれば特に限定されるものではないが、例えば、前記積層方向から見て、略正方形となるよう構成することができる。また、この凸部は、前記積層方向から見て、円形や多角形、長方形、長丸、楕円等、他の形状であってもよい。 In the fuel cell according to the present invention, the shape of the convex portion formed on the surface facing the cathode electrode is not particularly limited as long as the above-described conditions are satisfied. When viewed from the top, it can be configured to be substantially square. In addition, the convex portion may have another shape such as a circle, a polygon, a rectangle, an oval, an ellipse, or the like when viewed from the stacking direction.
さらにまた、本発明にかかる燃料電池は、積層方向から見て、前記アノード電極と対向する面に形成された凸部は、前記カソード電極と対向する面に形成された凸部に対し略相似形となるように構成することもできる。すなわち、アノード電極と対向する面に形成された凸部を、カソード電極と対向する面に形成された凸部よりも一回り大きく構成することができる。このように構成することで、セパレータを積層する際に、当該セパレータが横方向に若干ずれても、このずれを許容することができ、アノード電極と対向する面に形成された凸部と、カソード電極と対向する面に形成された凸部とが積層方向で重ねられた状態を維持することができる。したがって、より確実に積層方向にかかる面圧を均一にすることができる。 Furthermore, in the fuel cell according to the present invention, the protrusion formed on the surface facing the anode electrode is substantially similar to the protrusion formed on the surface facing the cathode electrode when viewed from the stacking direction. It can also comprise so that it may become. That is, the convex portion formed on the surface facing the anode electrode can be configured to be slightly larger than the convex portion formed on the surface facing the cathode electrode. With this configuration, when the separators are stacked, even if the separators are slightly displaced in the lateral direction, this deviation can be allowed, and the protrusions formed on the surface facing the anode electrode and the cathode It is possible to maintain a state in which the convex portions formed on the surface facing the electrode are overlapped in the stacking direction. Therefore, the surface pressure applied in the stacking direction can be made more uniform.
そしてまた、本発明にかかる燃料電池では、前記電解質が電解質膜からなり、当該電解質膜、前記アノード電極及びカソード電極によって、膜−電極接合体を構成することもできる。 In the fuel cell according to the present invention, the electrolyte may be an electrolyte membrane, and a membrane-electrode assembly may be constituted by the electrolyte membrane, the anode electrode, and the cathode electrode.
本発明にかかる燃料電池は、アノード電極と対向する面に形成された凸部と、カソード電極と対向する面に形成された凸部との、積層方向から見た長さの関係から、アノード電極と対向する面に形成された凸部が、カソード電極と対向する面に形成された凸部よりも大きい面積を有することになるため、外部に排出すべき水が多く存在するカソード電極側の流体流路を、アノード電極側の流体流路よりも広くとることができる。この結果、カソード電極側の流体流路における排水性を向上することができる。また、アノード電極と対向する面に形成された凸部と、カソード電極と対向する面に形成された凸部が、前記積層方向で重ねられているため、当該積層方向にかかる面圧を均一にすることができる。この結果、優れた発電性能及び信頼性を備えた燃料電池を提供することができる。 The fuel cell according to the present invention has a structure in which the anode electrode has a length relationship between a convex portion formed on the surface facing the anode electrode and a convex portion formed on the surface facing the cathode electrode, as viewed from the stacking direction. The convex portion formed on the surface facing the cathode electrode has a larger area than the convex portion formed on the surface facing the cathode electrode, so the fluid on the cathode electrode side where a large amount of water to be discharged exists. The flow path can be made wider than the fluid flow path on the anode electrode side. As a result, it is possible to improve drainage performance in the fluid channel on the cathode electrode side. In addition, since the convex portion formed on the surface facing the anode electrode and the convex portion formed on the surface facing the cathode electrode are overlapped in the stacking direction, the surface pressure in the stacking direction is made uniform. can do. As a result, a fuel cell having excellent power generation performance and reliability can be provided.
次に、本発明の好適な実施の形態にかかる燃料電池スタック及び燃料電池について図面を参照して説明する。なお、以下に記載される実施の形態は、本発明を説明するための例示であり、本発明をこれらの実施の形態にのみ限定するものではない。したがって、本発明は、その要旨を逸脱しない限り、様々な形態で実施することができる。 Next, a fuel cell stack and a fuel cell according to preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, embodiment described below is the illustration for demonstrating this invention, and this invention is not limited only to these embodiment. Therefore, the present invention can be implemented in various forms without departing from the gist thereof.
図1は、本発明の実施の形態にかかる燃料電池のアノード電極側に配置されるセパレータの平面図、図2は、本発明の実施の形態にかかる燃料電池のカソード電極側に配置されるセパレータの平面図、図3は、図1に示すセパレータの一部を拡大して示す平面図、図4は、図2に示すセパレータの一部を拡大して示す平面図、図5は、本発明の実施の形態にかかる燃料電池のセル積層方向を上下方向とした姿勢での全体概略図、図6は、本実施の形態にかかる燃料電池スタックの構成要素である単セルの一部を拡大して示す断面図である。 FIG. 1 is a plan view of a separator disposed on the anode electrode side of a fuel cell according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a separator disposed on the cathode electrode side of the fuel cell according to an embodiment of the present invention. FIG. 3 is an enlarged plan view showing a part of the separator shown in FIG. 1, FIG. 4 is an enlarged plan view showing a part of the separator shown in FIG. 2, and FIG. FIG. 6 is an enlarged schematic view of a part of a single cell that is a constituent element of the fuel cell stack according to the present embodiment. FIG.
図1〜図6に示すように、本発明の実施の形態にかかる燃料電池1は、電解質膜11と、この電解質膜11の一面に配置されたアノード電極12(燃料極)と、電解質膜11の他面に配置されたカソード電極13(酸化剤極)と、からなるMEA10を備えている。このMEA10のアノード電極12側には、セパレータ14が配設され、カソード電極13側には、セパレータ15が配設されている。そして、このMEA10とセパレータ14及び15によって単セル9を構成し、この単セル9を複数枚積層してセル積層体とし、このセル積層体のセル積層方向両端に、ターミナル20、インシュレータ21、エンドプレート22をそれぞれ配置してスタック23を構成し、スタック23をセル積層方向に締め付けて、スタック23の外側でセル積層方向に延びる締結部材24(例えば、テンションプレート、スルーボルト等)とボルト25またはナットで固定したものからなる。
As shown in FIGS. 1 to 6, the fuel cell 1 according to the embodiment of the present invention includes an
電解質膜11は、燃料ガスから供給された水素イオンをアノード電極12からカソード電極13に移動させる役割を果たしている。
The
アノード電極12及びカソード電極13は、例えば、触媒層及び拡散層から構成されている。触媒層は、電解質膜11に接して配置され、例えば、炭素粒子と、固体電解質と、当該炭素粒子に担持された触媒とを備えて構成されている。前記触媒としては、例えば、白金または白金合金等が好適に用いられている。燃料ガスから供給された水素が触媒層に達すると、触媒の表面で水素分子は活性な2個の水素原子に変わる。触媒表面ではさらに酸化反応が進行して、2個の水素イオンと2個の電子が放出されるが、水素イオンは、前述した電解質膜11中に浸入する。この触媒層では、前記触媒と固体電解質との配合割合を変化させることで、触媒利用効率の低下を抑えて電池性能を向上させている。
The
また、拡散層は、流体を通過させる機能と、触媒層及びセパレータを導通させる機能とを有する導電体である。具体的には、拡散層は、セパレータの流体流路から供給される反応ガスを触媒層側へ移動させるための透水性を備えている。 The diffusion layer is a conductor having a function of passing a fluid and a function of conducting the catalyst layer and the separator. Specifically, the diffusion layer has water permeability for moving the reaction gas supplied from the fluid flow path of the separator to the catalyst layer side.
セパレータ14及び15は、単セル9同士を区切る境界であり、隣の単セル9との間でアノード電極12とカソード電極13とが接触して単セル9同士が短絡しないようにする役割を果たすと同時に、隣り合う単セル9間の電気的コネクタの役割を果たしている。このセパレータ14及び15は、電子伝導性が高いと共に、耐食性に優れており、且つガス雰囲気において金属イオンを放出しないという特徴を有している。これらの条件を満足する材料として、例えば、カーボンや金属や導電性樹脂が使われる。
The
アノード電極12側に配設されるセパレータ14は、アノード電極12と対向する面14Aの発電領域に複数の凸部31が形成されている。これら複数の凸部31は、セパレータ14の表面14Aと平行な2方向であるX方向(図1及び図3に矢印Xで示す方向)及びX方向と直角なY方向(図1及び図3に矢印Yで示す方向)に互いに離隔して並んだ状態で配列されている。そして、これらの凸部31は、各々同じ形状を有しており、燃料ガス(例えば、水素を含むガス)が流通する燃料ガス流路35を画定している。
The
凸部31は、セル積層方向から見て(平面視で)、X方向の長さ(LAX)がY方向の長さ(LAY)よりも長い長方形を有している。具体的には、凸部31のX方向の長さ(LAX)は、Y方向の長さ(LAY)に対し3倍の長さを有している。凸部31と、この凸部31と隣接する凸部31とのX方向の間隔は、図3に示すように、Y方向の長さ(LAY)と同一となっている。また、凸部31と、この凸部31と隣接する凸部31とのY方向の間隔も、図3に示すように、Y方向の長さ(LAY)と同一となっている。
The
また、セパレータ14のY方向端部には、燃料ガスが供給される燃料ガス供給口32が形成され、Y方向とは反対側の端部には、燃料ガスが排出される燃料ガス排出口33が形成されている。さらにまた、セパレータ14のX方向端部には、酸化剤ガス(例えば、酸素を含むガス、通常は空気)が供給される酸化剤ガス供給口42が形成され、X方向とは反対側の端部には、酸化剤ガスが排出される酸化剤ガス排出口43が形成されている。
In addition, a fuel
カソード電極13側に配設されるセパレータ15は、カソード電極13と対向する面15Aの発電領域に複数の凸部41が形成されている。これら複数の凸部41は、セパレータ15の表面15Aと平行な2方向であるX方向(図2及び図4に矢印Xで示す方向)及びY方向(図2及び図4に矢印Yで示す方向)に互いに離隔して並んだ状態で配列されている。そして、これらの凸部41は、各々同じ形状を有しており、酸化剤ガス(例えば、空気)が流通する酸化剤ガス流路45を画定している。
The
凸部41は、セル積層方向から見て(平面視で)、X方向の長さ(LCX)がY方向の長さ(LCY)と同一の正方形を有している。また、凸部41の一辺の長さ(LCX、LCY)は、凸部31のY方向の長さ(LAY)と同一となっている。これより、前述した凸部31のX方向の長さ(LAX)は、凸部41のX方向の長さ(LCX)の3倍となる。
The
また、凸部41と、この凸部41と隣接する凸部41とのX方向の間隔は、図4に示すように、凸部41の一辺の長さ(LCX、LCY)と同一となっている。そしてまた、凸部41と、この凸部41と隣接する凸部41とのY方向の間隔も、図4に示すように、凸部41の一辺の長さ(LCX、LCY)と同一となっている。すなわち、凸部41同士のX方向及びY方向の間隔は、前述した凸部31同士のX方向及びY方向の間隔(LAY)と同一となっている。
Further, the distance in the X direction between the
なお、後に詳述するが、これらの凸部41は、MEA10を挟んだ両側に、セパレータ14と、セパレータ15とを各々積層した際に、凸部31と重なり合うように、凸部41のX方向の縁あるいはX方向とは反対方向の縁が、凸部31のX方向の縁あるいはX方向とは反対方向の縁と同じ位置になるように(互いの対応する縁が揃うように)配設されている。
As will be described in detail later, these
また、セパレータ15のX方向端部には、酸化剤ガスが供給される酸化剤ガス供給口42が形成され、X方向とは反対側の端部には、酸化剤ガスが排出される酸化剤ガス排出口43が形成されている。セパレータ15のY方向端部には、燃料ガスが供給される燃料ガス供給口32が形成され、Y方向とは反対側の端部には、燃料ガスが排出される燃料ガス排出口33が形成されている。
Further, an oxidant
この構成を備えたセパレータ14をMEA10のアノード電極12側の面に、セパレータ15をMEA10のカソード電極13側の面に、それぞれ積層してなる単セル9では、特に図6に示すように、セパレータ14に形成された凸部31の1つに対し、セパレータ15に形成された2つの凸部41が、互いの間にある間隔を含んで対応することになる。したがって、セパレータ14及び15を積層する際に、これらが多少横ずれしたとしても、凸部31と凸部41は、互いに重なり合った状態を維持することができるため、MEA10に対し、セル積層方向にかかる面圧を均一化することができる。このため、優れた発電効率を維持することができる。また、セパレータ15に形成される酸化剤ガス流路45は、セパレータ14に形成される燃料ガス流路35よりも、総体積(総容積)が大きくなっている。
In the
この構成を備えた燃料電池1では、燃料ガス供給口32から供給された燃料ガス(水素)が燃料ガス流路35を流通し、酸化剤ガス供給口42から供給された酸化剤ガス(空気)が酸化剤ガス流路45を流通する。ここで、燃料ガス流路35は、複数の凸部31によってその形状が画定されており、酸化剤ガス流路45は、複数の凸部41によってその形状が画定されているため、燃料ガス及び酸化剤ガスは、燃料ガス流路35全体及び酸化剤ガス流路45全体に、ほぼ均一に流通する。したがって、各単セル9では、発電領域全体に亘って、以下の電気化学反応が生じる。すなわち、
アノード電極12側では、 H2→2H++2e-
カソード電極13側では、 (1/2)O2+2H++2e-→H2O
燃料電池全体としては、 H2+(1/2)O2→H2O
この時、酸化剤ガス流路45には、前記電気化学反応によって生じた生成水が流れることになるが、前述したように、酸化剤ガス流路45は、燃料ガス流路35よりも、総体積が大きくなっているため、酸化剤ガス排出口43から生成水を、排出ガスと共に効率よく外部に排出することができる。
In the fuel cell 1 having this configuration, the fuel gas (hydrogen) supplied from the fuel
On the
On the
As a whole fuel cell, H 2 + (1/2) O 2 → H 2 O
At this time, the generated water generated by the electrochemical reaction flows through the oxidant
なお、本実施の形態では、セル積層方向から見て、凸部31のX方向の長さ(LAX)を、凸部41のX方向の長さ(LCX)の3倍とした場合について説明したが、これに限らず、凸部31のX方向の長さ(LAX)は、例えば、凸部41のX方向の長さ(LCX)の約3倍、約5倍等、奇数倍とほぼ等しい長さとなるように設定してもよい。また、本実施の形態では、凸部31のY方向の長さ(LAY)を、凸部41のY方向の長さ(LCY)と同一とした場合について説明したが、これに限らず、凸部31のY方向の長さ(LAY)は、例えば、凸部41のY方向の長さ(LCY)とほぼ同一であればよい。したがって、例えば、図7に示すような構成にすることもできる。
In the present embodiment, as viewed from the cell stacking direction, the length (L AX ) of the
図7に示す実施の形態では、凸部41の一辺の長さ(LCX、LCY)を、前述した実施の形態よりも若干短くし、凸部41が、凸部31の縁との間にマージン(W)を持って内側に位置するようにしている。このようにすることで、セパレータ14及び15を積層する際に、これらが多少横ずれしたとしても、凸部31と凸部41との間には、マージン(W)の余裕があるため、互いに重なり合った状態をさらに確実に維持することができる。
In the embodiment shown in FIG. 7, the length (L CX , L CY ) of one side of the
また、本実施の形態では、セル積層方向から見て、凸部31が長方形を有し、凸部41が正方形を有するように構成したが、これに限らず、凸部31は、X方向の最大長さ(LAX)がY方向の最大長さ(LAY)よりも長い形状であればよく、例えば、長丸や楕円、多角形等であってもよい。また、凸部41は、円や多角形、あるいは長方形、長丸、楕円等、他の形状であってもよい。なお、前述した実施の形態の場合、凸部31は、セル積層方向から見て長方形なので、X方向の最大長さ(LAX)が長辺となる。
Further, in the present embodiment, the
そしてまた、凸部31と凸部31との間隔、凸部41と凸部41との間隔は、凸部31と凸部41がセル積層方向で重なり合うことが可能な範囲で、X方向及びY方向共に、任意に設定することができる。
In addition, the interval between the
さらにまた、本実施の形態では、凸部31を、X方向及びY方向に互いに離隔して並んだ状態で配列した場合について説明したが、これに限らず、凸部31は、例えば、図8に示すように、千鳥状等、他の配列パターンに適宜配設してもよい。この場合、凸部41の配設位置は、凸部31とセル積層方向で重なり合うように適宜決定すればよい。
Furthermore, in the present embodiment, a case has been described in which the
また、本発明では、固体高分子型燃料電池について説明したが、これに限らず、本発明は、他の種類の燃料電池にも適用可能であることは勿論である。 In the present invention, the polymer electrolyte fuel cell has been described. However, the present invention is not limited to this, and the present invention is naturally applicable to other types of fuel cells.
1…燃料電池、9…単セル、10…MEA、11…電解質膜、12…アノード電極、13…カソード電極、14、15…セパレータ、23…スタック、31、41…凸部、35…燃料ガス流路、45…酸化剤ガス流路
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Fuel cell, 9 ... Single cell, 10 ... MEA, 11 ... Electrolyte membrane, 12 ... Anode electrode, 13 ... Cathode electrode, 14, 15 ... Separator, 23 ... Stack, 31, 41 ... Projection, 35 ... Fuel gas Channel, 45 ... Oxidant gas channel
Claims (6)
前記複数の凸部は、前記セパレータの表面と平行な少なくとも2方向であるX方向及びY方向に互いに離隔して配列され、
前記積層方向から見て、前記アノード電極と対向する面に形成された凸部は、X方向の最大長さ(LAX)がY方向の最大長さ(LAY)よりも長く、X方向の最大長さ(LAX)は、前記カソード電極と対向する面に形成された凸部のX方向の最大長さ(LCX)の奇数倍と略同一であり、Y方向の最大長さ(LAY)は、前記カソード電極と対向する面に形成された凸部のY方向の最大長さ(LCY)と略同一であり、
前記積層方向から見て、前記カソード電極と対向する面に形成された凸部同士のX方向の間隔は、この凸部のX方向の最大長さ(LCX)と略同一であり、
前記アノード電極と対向する面に形成された凸部と、前記カソード電極と対向する面に形成された凸部が、前記積層方向で重ねられてなる燃料電池。 An anode electrode is disposed on one surface of the electrolyte, and a cathode electrode is disposed on the other surface, each disposed on a surface opposite to the surface on which the electrolyte of the anode electrode and the cathode electrode is disposed. A separator having a fluid flow path defined by a plurality of convex portions formed on a surface facing the electrode, and a fuel cell comprising:
The plurality of convex portions are arranged apart from each other in the X direction and the Y direction, which are at least two directions parallel to the surface of the separator,
As viewed from the stacking direction, the convex portion formed on the surface facing the anode electrode has a maximum length in the X direction (L AX ) longer than a maximum length in the Y direction (L AY ). The maximum length (L AX ) is substantially the same as an odd multiple of the maximum length in the X direction (L CX ) of the convex portion formed on the surface facing the cathode electrode, and the maximum length in the Y direction (L AY ) is substantially the same as the maximum length (L CY ) in the Y direction of the convex portion formed on the surface facing the cathode electrode,
The distance in the X direction between the protrusions formed on the surface facing the cathode electrode when viewed from the stacking direction is substantially the same as the maximum length (L CX ) of the protrusions in the X direction.
A fuel cell in which a protrusion formed on a surface facing the anode electrode and a protrusion formed on a surface facing the cathode electrode are overlapped in the stacking direction.
The fuel cell according to any one of claims 1 to 5, wherein the electrolyte is an electrolyte membrane, and a membrane-electrode assembly is configured by the electrolyte membrane, the anode electrode, and the cathode electrode.
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