JP2008130350A - Fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池の構造に関する。 The present invention relates to a structure of a fuel cell.
燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質の両側に触媒層と燃料側拡散層とを有する燃料側電極と、触媒層と酸化剤側拡散層とを有する酸化剤側電極とが対向して配置して構成された膜電極アセンブリ(MEA)の両側をセパレータによって挟持して構成された発電セルを複数個積層し、所定の電圧を得られるセル積層体(スタック)として構成されている。 In a fuel cell, a fuel side electrode having a catalyst layer and a fuel side diffusion layer on both sides of an electrolyte made of a polymer ion exchange membrane, and an oxidant side electrode having a catalyst layer and an oxidant side diffusion layer are opposed to each other. A plurality of power generation cells configured by sandwiching both sides of a membrane electrode assembly (MEA) configured and arranged by a separator are stacked to form a cell stack (stack) that can obtain a predetermined voltage.
セル積層体の一方側のセパレータには燃料ガス流路が形成され、他方側のセパレータには酸化剤ガス流路が形成される。そして、各セパレータには燃料ガス、酸化剤ガスそれぞれの流路に接続された入口マニホールドと出口マニホールドとが備えられている。各セパレータの入口マニホールドと出口マニホールドはそれぞれ同一の位置に配置され、各発電セルの積層によって積層方向に貫通するよう構成されている。 A fuel gas flow path is formed in the separator on one side of the cell stack, and an oxidant gas flow path is formed in the separator on the other side. Each separator is provided with an inlet manifold and an outlet manifold connected to the flow paths of the fuel gas and the oxidant gas, respectively. The inlet manifold and the outlet manifold of each separator are arranged at the same position, and are configured to penetrate in the stacking direction by stacking each power generation cell.
燃料ガス入口マニホールドから燃料ガス、例えば、水素が供給され、酸化剤ガス入口マニホールドから、酸化剤ガス、例えば、酸素ガスあるいは空気が供給される。燃料ガス入口マニホールドから燃料ガス流路を経て燃料側電極に供給された燃料ガス中の水素は、触媒層で水素イオン化され、適度に加湿された電解質を介して酸化剤側電極へと移動する。その間に生じた電子が外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。酸化剤側電極においては、酸化剤ガス入口マニホールドから供給された酸化剤ガス中の酸素と水素イオン、電子とが反応して水が生成される。反応によって生成された水は酸化剤ガス流路から酸化剤ガス出口マニホールドに排出される。また、未反応の水素は燃料ガス出口マニホールドに排出される。 A fuel gas, for example, hydrogen is supplied from the fuel gas inlet manifold, and an oxidant gas, for example, oxygen gas or air is supplied from the oxidant gas inlet manifold. Hydrogen in the fuel gas supplied from the fuel gas inlet manifold to the fuel side electrode through the fuel gas flow path is hydrogen ionized in the catalyst layer and moves to the oxidant side electrode via the appropriately humidified electrolyte. Electrons generated in the meantime are taken out to an external circuit and used as direct current electric energy. In the oxidant side electrode, oxygen, hydrogen ions, and electrons in the oxidant gas supplied from the oxidant gas inlet manifold react to generate water. The water produced by the reaction is discharged from the oxidant gas flow path to the oxidant gas outlet manifold. Unreacted hydrogen is discharged to the fuel gas outlet manifold.
酸化剤出口マニホールドに排出された水は燃料電池の外部に排出される。しかし、この燃料電池からの水の排出が不十分である場合には、発電セル内の酸化剤ガス流路でフラッディングを生じ酸化剤ガスの酸化剤側極への供給が阻害されて、発電力不足、電位低下が発生する場合がある。このため、発電セル内の酸化剤ガス流路から酸化剤出口マニホールドへの排水をスムーズにできるように、酸化剤出口マニホールドに接続される酸化剤ガス流路の下端部よりも酸化剤出口マニホールドの下端を重力方向に下方に延ばす方法が提案されている。これによって、酸化剤マニホールドに水を溜め、発電セルの酸化剤ガス流路から酸化剤出口マニホールドへの排水性を向上させようにしている(例えば、特許文献1参照)。 The water discharged to the oxidant outlet manifold is discharged outside the fuel cell. However, when the water discharge from the fuel cell is insufficient, flooding occurs in the oxidant gas flow path in the power generation cell, and the supply of the oxidant gas to the oxidant side electrode is hindered, resulting in the generation of power. Insufficient or potential drop may occur. For this reason, in order to smoothly drain the oxidant gas flow path from the oxidant gas flow path in the power generation cell to the oxidant outlet manifold, the oxidant outlet manifold has a lower end than the lower end of the oxidant gas flow path. A method of extending the lower end downward in the direction of gravity has been proposed. As a result, water is accumulated in the oxidant manifold to improve drainage from the oxidant gas flow path of the power generation cell to the oxidant outlet manifold (see, for example, Patent Document 1).
また、セパレータの入口、出口マニホールドの下端高さ位置を、セパレータの反応ガス流路のマニホールドヘの開口部の下端高さ位置よりも低い位置に設定し、電池反応によって生じる生成水あるいは凝縮水が、マニホールド内に滞留してもセパレータの反応ガス流路から排出することができ、電池性能の低下を防止する方法が提案されている(例えば、特許文献2参照)。 In addition, the lower end height position of the separator inlet and outlet manifolds is set to a position lower than the lower end height position of the opening to the manifold of the reaction gas flow path of the separator, so that the generated water or condensed water generated by the cell reaction Even if it stays in the manifold, it is possible to discharge from the reaction gas flow path of the separator, and a method for preventing deterioration of battery performance has been proposed (for example, see Patent Document 2).
一方、従来の燃料電池のセル積層体は、発電中に端部セルのセル電圧が低下してしまうという問題がある。この問題が発生する理由は、端部のセルには凝縮水や不純物(系の金属イオン等)が混入しやすいために、フラッディングや汚れが起こり、セル電圧の低下を引き起こすこと、および端部は外部の熱の影響を受け、冷やされやすく、フラッディングを起こしていること、等である。 On the other hand, the conventional cell stack of a fuel cell has a problem that the cell voltage of the end cell decreases during power generation. The reason why this problem occurs is that condensate and impurities (such as metal ions of the system) are likely to enter the cell at the end, causing flooding and contamination, leading to a decrease in cell voltage. Under the influence of external heat, it is easy to be cooled and flooding occurs.
このため、燃料電池のセル積層体の、ガス出入り側端部に、ガス流路を形成した層をもつがMEAをもたず、発電に寄与しないダミーセルを配置した燃料電池のスタック構造が提案されている。このような燃料電池のセル積層体構造は、セル積層方向端部にあるガス出入り側端セルの、水によるフラッディングや不純物によるコンタミによる電圧低下を抑制できる。また、外部の温度(低温)の影響を緩和して水の凝縮を抑制でき、フラッディングを減少させることができる(例えば、特許文献3参照)。 For this reason, a fuel cell stack structure is proposed in which a dummy cell that does not contribute to power generation is provided at the end of the cell stack of the fuel cell, which has a layer in which a gas flow path is formed but has no MEA. ing. Such a cell stack structure of a fuel cell can suppress a voltage drop due to water flooding or contamination due to impurities in the gas inlet / outlet side cells at the end of the cell stacking direction. Moreover, the influence of external temperature (low temperature) can be relieved to condense water, and flooding can be reduced (see, for example, Patent Document 3).
以上述べたように特許文献1及び2に開示された従来技術は燃料電池のセル積層体のセパレータに設けられた酸化剤ガス流路から酸化剤ガス出口マニホールドを経て燃料電池のセル積層体の外部に水分を排出する手段が開示されている。また、特許文献3に記載の従来技術にはセル積層体端部のフラッディング防止等のためにダミーセルを設けることが開示されている。
As described above, the prior arts disclosed in
しかし、特許文献1から3に記載の従来技術を用いても、燃料電池の発電セルの反応ガス出口マニホールドに微小な水分が滞留する場合がある。特に、ガス流路の奥側にある端部セル等のように反応ガス出口マニホールドを流れるガス流量が少ない発電セルにおいては、反応ガスの流れによって微小な水分を排出することができないため、この傾向が強くなる。また、燃料電池のセル積層体の端部セル等外面に近いセルは外気の温度の影響を受けやすく、氷点下の状態になると、内部に滞留した水分が凍結する場合がある。
However, even when the conventional techniques described in
燃料電池のセル積層体は各発電セルの間に燃料ガス、酸化剤ガスをシールするガスケットを挟み込んで各ガスが漏れないように構成されている。このガスケットは各発電セルの周囲に取り付けられている。一方、各発電セルの中央部には、発電反応を行う膜電極アセンブリが取り付けられ、この膜電極アセンブリとガスケットとの間には各反応ガスの入口、出口マニホールドが形成されている。 The cell stack of the fuel cell is configured so that each gas does not leak by sandwiching a gasket for sealing the fuel gas and the oxidant gas between the power generation cells. This gasket is attached around each power generation cell. On the other hand, a membrane electrode assembly that performs a power generation reaction is attached to the center of each power generation cell, and an inlet manifold and an outlet manifold for each reaction gas are formed between the membrane electrode assembly and the gasket.
燃料電池の起動の際には、先に各発電セルの中央部にある膜電極アセンブリの温度が発電反応によって上昇し、この熱が伝わることによって次第に各発電セルの周辺部の温度が上昇していく。このため、燃料電池の起動初期においては、膜電極アセンブリの配置されている中部はその温度上昇によってセル積層方向の厚みが増加する。一方周辺部は温度上昇が遅れるため、温度差によりセル積層方向に厚みの差が生じてくる。この厚みの差は上記のガスケットの反発力によってガスシールが確保され、このように燃料電池に温度差が生じても燃料電池からガスが漏れ出さないように構成されている。 When the fuel cell is started, the temperature of the membrane electrode assembly at the center of each power generation cell first rises due to the power generation reaction, and this heat is transferred to gradually increase the temperature at the periphery of each power generation cell. Go. For this reason, at the initial start of the fuel cell, the thickness of the central portion where the membrane electrode assembly is disposed increases in the cell stacking direction due to the temperature rise. On the other hand, since the temperature rise is delayed in the peripheral portion, a difference in thickness occurs in the cell stacking direction due to the temperature difference. This difference in thickness ensures a gas seal due to the repulsive force of the above-described gasket, and thus gas is not leaked from the fuel cell even if a temperature difference occurs in the fuel cell.
しかし、端部セル等ガス流れの奥側に設けられた発電セルあるいは反応ガスの流量が少ない発電セルに設けられた反応ガス出口マニホールドに微小の水分が残留し、これが凍結した場合には、その凍結部分のガスケットは燃料電池に生ずる温度による発電セル積層方向の厚みの差を吸収することができなくなるため、他の部分のガスケットにおける熱膨張の吸収量が大きくなる。そして、他の部分のガスケットによる熱膨張の吸収ができない状態となると燃料電池内の酸化剤ガス、燃料ガスがセルの周辺部から漏れ出す場合があるという問題があった。 However, if minute moisture remains in the reaction gas outlet manifold provided in the power generation cell provided on the back side of the gas flow such as the end cell or the power generation cell with a low flow rate of the reaction gas, and this freezes, Since the gasket in the frozen portion cannot absorb the difference in thickness in the power generation cell stacking direction due to the temperature generated in the fuel cell, the amount of thermal expansion absorbed in the gasket in the other portion increases. And when it became a state which cannot absorb the thermal expansion by the gasket of another part, there existed a problem that the oxidant gas and fuel gas in a fuel cell might leak from the peripheral part of a cell.
上記の問題は、燃料電池のセル積層体の端部等の反応ガス流量が少ない反応ガス出口マニホールドにおいて発生するものであり、特許文献1から3にはこのような問題についての開示も示唆もされていないし、問題解決のための手段の開示も示唆もされていない。
The above problem occurs in a reaction gas outlet manifold having a small reaction gas flow rate, such as an end portion of a cell stack of a fuel cell.
本発明の目的は、セル積層体のマニホールド内部での水分の凍結を抑制することを目的とする。 An object of the present invention is to suppress freezing of moisture inside a manifold of a cell stack.
本発明の燃料電池は、膜電極アセンブリと前記膜電極アセンブリに供給される反応ガスを流す反応ガス流路と前記反応ガス流路に接続された出口マニホールドとを含む発電セルと、反応ガス流路と前記反応ガス流路に接続された出口マニホールドを含む非発電セルとを前記各出口マニホールドが貫通するように積層したセル積層体を備える燃料電池において、前記発電セルの前記出口マニホールドに接する出口流路の底面は、前記出口マニホールドの底面よりも重力方向に上側にあり、前記非発電セルの前記出口マニホールドに接する出口流路の底面は、前記出口マニホールドの底面よりも重力方向に同一位置又は下側にあること、を特徴とする。また、前記非発電セルの前記出口流路の内面は親水化処理がされていること、としても好適であるし、前記非発電セルは、前記セル積層体の積層方向の端部又は積層方向の中間に設けられることとしても好適である。 A fuel cell according to the present invention includes a power generation cell including a membrane electrode assembly, a reaction gas channel through which a reaction gas supplied to the membrane electrode assembly flows, and an outlet manifold connected to the reaction gas channel, and a reaction gas channel And a non-power generation cell including an outlet manifold connected to the reaction gas flow path, and a fuel cell stack including the outlet manifolds, the outlet flow of the power generation cell contacting the outlet manifold The bottom surface of the path is above the bottom surface of the outlet manifold in the gravitational direction, and the bottom surface of the outlet channel in contact with the outlet manifold of the non-power generation cell is at the same position or below the bottom surface of the outlet manifold in the gravity direction. It is on the side. In addition, the inner surface of the outlet channel of the non-power generation cell is preferably subjected to a hydrophilic treatment, and the non-power generation cell includes an end in the stacking direction of the cell stack or a stacking direction. It is also suitable to be provided in the middle.
本発明、セル積層体のマニホールド内部での水分の凍結を抑制することができるという効果を奏する。 The present invention provides an effect that moisture freezing inside the manifold of the cell stack can be suppressed.
以下、本発明の好適な実施形態について図面を参照しながら説明する。図1は本実施形態の燃料電池の側面を示す図である。本実施形態の燃料電池は燃料側の反応ガスとして水素を用い、酸化剤側の反応ガスとして空気を用いている。図1に示すように、燃料電池11は、高分子イオン交換膜からなる電解質の両側に触媒層と燃料側拡散層とを有する燃料側電極と、触媒層と酸化剤側拡散層とを有する酸化剤側電極とが対向して配置して構成された膜電極アセンブリ(MEA)の両側をセパレータによって挟持して構成された発電セル13が複数個積層されて所定の電圧を得られるように構成されたセル積層体14と、そのセル積層体14の両側に積層された膜電極アセンブリを持たない空気側ダミーセル26と水素側ダミーセル28と、各ダミーセル26,28の両側に積層された発電電力を取り出す集電板15,16と、集電板の両側に積層された絶縁板17,18とを空気極側に積層された空気側締結板19と水素極側に積層された水素側締結板20とによって一体に締結して構成されている。
Preferred embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a view showing a side surface of the fuel cell of the present embodiment. The fuel cell of the present embodiment uses hydrogen as a reaction gas on the fuel side and air as a reaction gas on the oxidant side. As shown in FIG. 1, the
各発電セル13及び各ダミーセル26,28にはそれぞれ各セル13,26,28を貫通する空気入口マニホールド30と空気出口マニホールド32とが設けられている。また、空気側の集電板15と絶縁板17も各発電セル13の空気入口マニホールド30、空気出口マニホールド32と同一形状の空気導入孔30a、空気導出孔32aとが設けられている。各発電セル13の各マニホールド30,32は略同一の大きさで同一の高さに配置され、各発電セル13の積層によって発電セル13の積層方向に貫通して延びた空気供給路29と空気排出路31を構成する。そして、空気供給路29は集電板15、絶縁板17に設けられた各空気導入孔30aと空気側締結板19に設けられた空気入口孔25とに連通し、空気排出路31は集電板15、絶縁板17に設けられた各空気導出孔32aと空気側締結板19に設けられた空気出口孔27とに連通している。空気側締結板19の端面には空気入口孔25に連通する空気入口管21と空気出口孔27に連通する空気出口管23とが設けられている。ここで、積層方向は略水平方向で、空気入口マニホールド30の側が重力方向の下側であり、空気出口マニホールド32のある側が重力方向の上側となっている。
Each
また、水素側も上記の空気側と同様の構成で各発電セル、各マニホールド、導入導出孔、入口出口孔が設けられている。図1ではこれらの図示は省略する。各発電セル13及び各ダミーセル26,28にはそれぞれ水素入口マニホールドと水素出口マニホールドとが設けられている。また、水素側の集電板16と絶縁板18も各発電セル13の水素入口マニホールド、水素出口マニホールドと同一形状の水素導入孔と水素導出孔とが設けられている。各発電セル13の各マニホールドは略同一の大きさで同一の高さに配置され、各発電セル13の積層によって発電セル13の積層方向に貫通して延びた水素供給路と水素排出路とを構成する。そして、水素供給路は集電板16、絶縁板18に設けられた各水素導入孔と水素側締結板20に設けられた水素入口孔とに連通し、水素排出路は集電板16、絶縁板18に設けられた各水素導出孔と水素側締結板20に設けられた水素出口孔に連通している。水素側締結板20の端面には水素入口孔に連通する水素入口管22と水素出口孔に連通する水素出口管24とが設けられている。
In addition, each of the power generation cells, each manifold, the introduction / extraction hole, and the inlet / outlet hole are provided on the hydrogen side in the same configuration as the air side. These are not shown in FIG. Each
図2を参照しながら燃料電池11の各発電セル13及び空気側ダミーセル26、水素側ダミーセル28の構成について詳細に説明する。各発電セル13は水素側セパレータ13aと空気側セパレータ13bとの間に膜電極アセンブリ13cが挟持されている。水素側セパレータ13aの膜電極アセンブリ側の面には水素ガスを流す水素流路33が形成され、反対側の面には冷却水を流す冷却水流路35が形成されている。空気側セパレータ13bの膜電極アセンブリ側の面には空気を流す空気流路34が形成されて、反対側の面には冷却水を流す冷却水流路35が形成されている。水素側セパレータ13aと空気側セパレータ13bとはその周辺部にガスケット60を備えており、水素側締結板20と空気側締結板19との間の締結力によってガスケット60に面圧を与えて各セパレータ13a,13bの間のガス及び冷却水のシールを行なうようになっている。また、空気側セパレータ13bと水素側セパレータ13aの膜電極アセンブリ13cと反対側の面は互いに密着してその間に冷却水流路35を形成するようになっている。そして、空気側セパレータ13bと水素側セパレータ13aの膜電極アセンブリ13cと反対側の面の周辺部にもガスケット60を備えており、このガスケット60に面圧を与えることによって冷却水、空気、水素ガスの漏れを防止するようになっている。水素側セパレータ13aと空気側セパレータ13bの膜電極アセンブリ13cと接している山部は膜電極アセンブリ13cで発電した電気の導電機能を持つようになっていることから、各セパレータ13a,13bはステンレス、チタン、アルミあるいはカーボン等の導電性材料によって構成されている。
The configuration of each
燃料電池11の空気側締結板19の空気入口管21から導入された空気は、空気供給路29を通って空気側セパレータ13bに設けられた空気入口マニホールド30から空気流路34に供給される。この空気は空気流路34によって膜電極アセンブリ13cに供給されて発電反応を生ずる。発電反応によって生成された水と余剰の空気とは空気流路34から空気出口マニホールド32に排出するよう構成されている。そして、空気出口マニホールド32に排出された水と余剰の空気は空気排出路31に沿って空気出口孔27に導かれ、空気側締結板19の空気出口管23から燃料電池の外部に排出される。
The air introduced from the
燃料電池11の水素側締結板20の水素入口管22から導入された水素は、水素供給路を通って水素側セパレータ13aに設けられた水素入口マニホールドから水素流路33に供給される。この水素は水素流路33によって膜電極アセンブリ13cに供給されて発電反応を生ずる。余剰の水素は水素流路33から水素出口マニホールドに排出するよう構成され、水素出口マニホールド排出された余剰の水素は水素排出路に沿って水素出口孔に導かれ、水素側締結板20の水素出口管24から燃料電池の外部に排出される。
Hydrogen introduced from the
空気入口管21と空気出口管23とを有する空気側締結板19からセルの積層方向の一番奥側、すなわち空気排出路31の空気の流れの上流側端には空気側ダミーセル26が積層されている。空気側ダミーセル26は集電板16側に設けられた集電板側セパレータ26aと発電セル13側に設けられたセル側セパレータ26bを密着させて構成されたもので、各セパレータ26a,26bの周辺部にはガスケット60が備えられ、空気、水素、冷却水をシールするように構成されている。集電板側セパレータ26aの集電板16側の面には冷却水流路35が形成されている。セル側セパレータ26bの集電板16側には空気流路37が形成され、発電セル13側には冷却水流路35が設けられている。空気流路37は空気入口マニホールド30と空気出口マニホールド32とに接続され、空気供給路29から供給された空気を空気排出路31に排出するように構成されている。この空気側ダミーセル26は各セパレータ26a,26bの間に膜電極アセンブリ13cを有していないため、発電には寄与しない非発電セルとなっている。
An air
水素入口管22と水素出口管24とを有する水素側締結板20からセルの積層方向の一番奥側、すなわち水素排出路の水素の流れの上流側端には水素側ダミーセル28が積層されている。水素側ダミーセル28は集電板15側に設けられた集電板側セパレータ28aと発電セル13側に設けられたセル側セパレータ28bを密着させて構成されたもので、各セパレータ28a,28bの周辺部にはガスケット60が備えられ、空気、水素、冷却水をシールするように構成されている。集電板側セパレータ28aの集電板15側の面には冷却水流路35が形成されている。セル側セパレータ28bの集電板15側には水素流路36が形成され、発電セル13側には冷却水流路35が設けられている。水素流路36は水素入口マニホールドと水素出口マニホールドとに接続され、水素供給路から供給された水素を水素排出路に排出するように構成されている。この水素側ダミーセル28は各セパレータ28a,28bの間に膜電極アセンブリ13cを有していないため、発電には寄与しない非発電セルとなっている。
A hydrogen-
各ダミーセル26,28は図2に示すように各集電板15,16の間に配置されている場合には、各膜電極アセンブリ13cで発電した電気を集電板15,16に導電することが必要になることから発電セル13の各セパレータと同様、ステンレス、チタン、アルミあるいはカーボン等の導電性材料によって構成されるが、各ダミーセル26,28が各集電板15,16の外側に配置される場合には、樹脂などの絶縁性材料であってもかまわない。
When the
図3(a)に発電セルの空気側セパレータ13bの空気流路面を示す。図中の矢印は空気の流れを示す。空気側セパレータ13bの周辺部には、空気供給路29を形成する空気入口マニホールド30と、空気排出路31を形成する空気出口マニホールド32とが配置されている。そして、空気側セパレータ13bの中央部表面には、多数の折れ曲がり流路によって構成された空気流路34が形成されている。また、周辺部には水素供給路を形成する水素入口マニホールド40と水素排出路を形成する水素出口マニホールド42と、冷却水供給路を形成する冷却水入口マニホールド50と冷却水排出路を形成する冷却水出口マニホールド52とが配置されている。
FIG. 3A shows the air flow path surface of the air-
図3(b)に発電セルの空気側セパレータ13bの空気流路34の空気出口マニホールド32に接する出口流路34aの拡大部を示す。図3(b)に示すように、空気出口マニホールド32に接する出口流路34aの底面は、空気出口マニホールド32の底面38よりも重力方向で上側になるように形成されている。発電反応によって空気流路34の中に生成された水は、空気の流れに沿って空気流路34を出口流路34aに向かって流れてくる。そして、水は出口流路34aから空気出口マニホールド32に向かって重力方向下向きに流れ、空気出口マニホールド32の底面38に流れ込む。そして、空気出口マニホールド32を貫通して形成されている空気排出路31に沿って燃料電池11の外部に排出される。このように、空気流路34の内部に生成された水は、空気出口マニホールド32の底面38に向かって下向きに流れ込んでいくことから、空気流路34の中で生成された水の空気流路34から空気出口マニホールド32への流れが阻害されることが抑制される。このため、空気流路34の内部でフラッディングを生じて空気の流れが阻害されることが抑制される。
FIG. 3B shows an enlarged portion of the
図4(a)に空気側ダミーセル26のセル側セパレータ26bに形成された空気流路37を示す。また、図4(b)にセル側セパレータ26bの空気流路37の空気出口マニホールド32に接する出口流路37aの拡大部を示す。図中の矢印は空気の流れを示す。基本的な流路構成は空気側セパレータ13bと同様であるが、図4(b)に示すように、空気出口マニホールド32に接する出口流路37aの底面は、空気出口マニホールド32の底面38よりも重力方向で下側になるように形成されている。空気側ダミーセル26は発電反応を行なわない非発電セルであることから、発電反応によって空気流路37の中に水は生成されず、空気入口マニホールド30から流れ込んだ空気がそのまま空気出口マニホールド32から排出される。空気出口マニホールド32に排出された空気は空気側セパレータ13bの空気出口マニホールド32に排出された水をその流れに乗せて出口側に押し流していく。また、出口流路37aの内面は親水化処理が施してあることから、内面の水が排出されやすくなっている。
FIG. 4A shows an
以上説明したように、本実施形態の燃料電池11は動作中には空気流路34,37を流れる空気によって流路内の水は出口マニホールド32から空気排出路31に向かって排出されている。しかし、空気供給路29及び空気排出路31の内部の空気流量は、空気側締結板19に近い側ほど多く、空気側締結板19から積層方向に向かって奥側になるほど、つまり空気排出路31の空気の流れの上流側になるほどその流量は減少し、その流れによって水を押し流す力が弱くなってくる。このため、奥側、つまり空気排出路31の空気の流れの上流側のセルでは、空気排出路31の内部の水を燃料電池11の外部に完全に排出することができず、空気排出路31の底面、あるいは空気出口マニホールド32の底面38に微小な水が滞留する。
As described above, during operation of the
図5は燃料電池11の空気排出路31の空気側ダミーセル26周りを示す断面図である。図1から4で説明した部分には同様の符号を用い説明は省略する。図5に示すように、燃料電池11の運転が停止されて空気の流れがなくなると、この微小な滞留水は空気出口マニホールド32の底面38から重力方向下側になっている空気側ダミーセル26の空気流路37の出口流路37aの底面に向かって逆に流れようとする。そして、出口流路37aの内面は親水化処理がされていることから、少ない流動力でも水は出口流路37aから空気流路37に入り込んで、空気側ダミーセル26の空気流路37の中に貯留されることとなる。これによって、空気排出路31の底部に水が滞留することを抑制することができ、外気温度が低下した場合でもセル積層体14の空気排出路31内部、あるいは空気出口マニホールド32の底面38での水分の凍結を抑制することができるという効果を奏する。
FIG. 5 is a cross-sectional view showing the periphery of the air-
そして、外気温度が低下して燃料電池11の温度が氷点下となって、空気側ダミーセル26の空気流路37に入り込んだ滞留水が凍結しても、空気側ダミーセル26には膜電極アセンブリ13cが備えられていないことから凍結によって発電性能の低下を招くことが無くなる。また、空気側ダミーセル26の空気流路37が凍結によって閉塞を起こしても膜電極アセンブリ13cへの供給空気量が減少して発電性能の低下を招くこともない。更に、凍結が発生する部位が空気排出路31よりも燃料電池11の中央部に近いことから、発電反応による膜電極アセンブリ13cの温度上昇によって早く解凍温度に達することができるという効果を奏する。
Even if the outside air temperature decreases and the temperature of the
上記の本発明の実施形態は、空気側ダミーセル26のセル側セパレータ26bに設けられた空気流路37の出口流路37aの底面が、空気出口マニホールド32の底面38よりも重力方向に下側になっていることとして説明したが、重力方向下側でなく同一の位置に構成されていてもよい。また、水素側ダミーセル28のセル側セパレータ28bに設けられた水素流路36の出口流路の底面が水素出口マニホールド42の底面よりも重力方向に下側又は同一の位置になっていることとしても良いし、空気側、水素側双方のダミーセルの空気、水素の各出口流路が各出口マニホールド32,42よりも重力方向下側又は同一の位置となっているように構成してもよい。また、本実施形態では出口流路37aの内面に親水化処理をすることとして説明したが、空気流路37の内面全てにわたって親水化処理をしても良い。
In the embodiment of the present invention described above, the bottom surface of the
本実施形態では、空気側ダミーセル26のセル側セパレータ26bには空気入口マニホールド30と空気出口マニホールド32とを接続する空気流路37を備え、この空気流路37の中に微小な滞留水を貯留することとして説明したが、上記の微小な滞留水を内部に貯留することができれば空気流路37は空気入口マニホールド30と空気出口マニホールド32とを接続する流路でなく、空気出口マニホールド32に接続されたチャンバ形状のものであっても良い。
In the present embodiment, the cell-
本実施形態においては、ダミーセルは空気側ダミーセル26、水素側ダミーセル28がそれぞれ発電セル13を積層したセル積層体14の端部に設けられたとして説明したが、これらのダミーセルは端部に限られず、セル積層体14の中間に積層されるように構成しても良い。また、ダミーセルは両側の2箇所に限られず、反応ガスの流量少なく、微量な水分が滞留する可能性のある場所に2箇所以上設けることとしても好適である。
In the present embodiment, the dummy cell is described as being provided at the end of the
11 燃料電池、13 発電セル、13a 水素側セパレータ、13b 空気側セパレータ、13c 膜電極アセンブリ、14 セル積層体、15,16 集電板、17,18 絶縁板、19 空気側締結板、20 水素側締結板、21 空気入口管、22 水素入口管、23 空気出口管、24 水素出口管、25 空気入口孔、26 空気側ダミーセル、26a 集電板側セパレータ、26b セル側セパレータ、27 空気出口孔、28 水素側ダミーセル、28a 集電板側セパレータ、28b セル側セパレータ、29 空気供給路、30 空気入口マニホールド、30a 空気導入孔、31 空気排出路、32 空気出口マニホールド、32a 空気導出孔、33,36 水素流路、34,37 空気流路、34a,37a 出口流路、35 冷却水流路、38 底面、40 水素入口マニホールド、42 水素出口マニホールド、50 冷却水入口マニホールド、52 冷却水出口マニホールド、60 ガスケット。
DESCRIPTION OF
Claims (3)
前記発電セルの前記出口マニホールドに接する出口流路の底面は、前記出口マニホールドの底面よりも重力方向に上側にあり、
前記非発電セルの前記出口マニホールドに接する出口流路の底面は、前記出口マニホールドの底面よりも重力方向に同一位置又は下側にあること、
を特徴とする燃料電池。 A power generation cell including a membrane electrode assembly, a reaction gas flow path for flowing a reaction gas supplied to the membrane electrode assembly, and an outlet manifold connected to the reaction gas flow path; and a reaction gas flow path and the reaction gas flow path In a fuel cell including a cell stack in which each outlet manifold passes through a non-power generation cell including a connected outlet manifold,
The bottom surface of the outlet channel in contact with the outlet manifold of the power generation cell is above the bottom surface of the outlet manifold in the direction of gravity,
The bottom surface of the outlet channel in contact with the outlet manifold of the non-power generation cell is at the same position or lower side in the direction of gravity than the bottom surface of the outlet manifold;
A fuel cell.
前記非発電セルの前記出口流路の内面は親水化処理がされていること
を特徴とする燃料電池。 The fuel cell according to claim 1, wherein
The fuel cell, wherein an inner surface of the outlet channel of the non-power generation cell is subjected to a hydrophilic treatment.
前記非発電セルは、前記セル積層体の積層方向の端部又は積層方向の中間に設けられること
を特徴とする燃料電池。 The fuel cell according to claim 1 or 2,
The non-power generation cell is provided at an end of the cell stack in the stacking direction or in the middle of the stacking direction.
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- 2006-11-21 JP JP2006313752A patent/JP2008130350A/en active Pending
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