JP2007194074A - Fuel cell - Google Patents
Fuel cell Download PDFInfo
- Publication number
- JP2007194074A JP2007194074A JP2006011204A JP2006011204A JP2007194074A JP 2007194074 A JP2007194074 A JP 2007194074A JP 2006011204 A JP2006011204 A JP 2006011204A JP 2006011204 A JP2006011204 A JP 2006011204A JP 2007194074 A JP2007194074 A JP 2007194074A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- hole
- fuel cell
- anode
- facing plate
- cathode
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Landscapes
- Fuel Cell (AREA)
Abstract
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。 The present invention relates to a fuel cell, and more specifically, a stack structure in which a plurality of laminated bodies each having an anode and a cathode disposed on both surfaces of a predetermined electrolyte membrane having proton conductivity are laminated with a separator interposed therebetween. The present invention relates to a fuel cell.
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)。 A fuel cell that generates electricity by an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen has attracted attention as an energy source. This fuel cell has a stack structure in which membrane electrode assemblies each having an anode (hydrogen electrode) and a cathode (oxygen electrode) and separators are alternately laminated on both surfaces of an electrolyte membrane having proton conductivity. (Hereinafter, a fuel cell having such a stack structure is also referred to as a fuel cell stack).
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。 Various techniques have been proposed for separators used in such fuel cell stacks. For example, Patent Document 1 below describes a technique related to a separator that includes a fuel gas plate facing an anode, an oxidant gas plate facing a cathode, and an intermediate plate sandwiched between these plates. In this technique, each plate is provided with a structure for supplying fuel gas or oxidant gas to the fuel cell, or for flowing a cooling medium for cooling the fuel cell. The fuel gas and the oxidant gas are supplied to the anode and the cathode from a part of the periphery of the anode and the cathode, respectively, and are supplied so as to spread over almost the entire surfaces of the anode and the cathode. .
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。 By the way, in a fuel cell, water (product water) is generated by an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen during power generation. This generated water is usually discharged to the outside together with the exhaust gas. However, when the generated water is locally accumulated on the surface of the anode or the cathode and a part of the flow path of the fuel gas (hydrogen) or the oxidant gas (oxygen) is blocked, the gas becomes the anode or In some cases, the cathode is not uniformly supplied, and the power generation capacity of the fuel cell is reduced. Such a defect is not limited to the local retention of generated water, but the above-described electrochemical reaction, that is, a gas that is not used for power generation (for example, nitrogen in air when oxygen-containing air is used as an oxidant gas) ) Could also occur when locally retained on the surface of the anode or cathode.
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。 The present invention has been made to solve the above-described problem, and suppresses a decrease in power generation capacity due to local accumulation of at least generated water on the surface of the anode or the cathode in the fuel cell stack. For the purpose.
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。
In order to solve at least a part of the above-described problems, the present invention employs the following configuration.
The fuel cell of the present invention comprises
A fuel cell having a stack structure in which a plurality of laminated bodies each having an anode and a cathode are disposed on both surfaces of a predetermined electrolyte membrane having proton conductivity with a separator interposed therebetween,
The separator is
An anode facing plate facing the anode of the laminate;
A cathode facing plate facing the cathode of the laminate;
An intermediate plate sandwiched between the anode facing plate and the cathode facing plate;
At least one of the anode facing plate and the cathode facing plate penetrates in the thickness direction of the plate, and a predetermined reaction gas is introduced to the surface of the stacked body from a direction perpendicular to the surface of the stacked body. A plurality of reaction gas supply ports for supplying,
The intermediate plate is sandwiched between the anode facing plate and the cathode facing plate, thereby forming a reaction gas supply channel for supplying the reaction gas to each of the plurality of reaction gas supply ports. A gas supply flow path forming section;
The gist of the plurality of reaction gas supply ports is that they are two-dimensionally distributed with respect to the plate surface of the plate provided with the plurality of reaction gas supply ports.
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。 Here, the “predetermined reaction gas” is a fuel gas and an oxidant gas supplied to the laminate, that is, the anode and the cathode disposed in the membrane electrode assembly, respectively.
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。 According to the present invention, the corresponding reaction gas is two-dimensionally dispersed from the plurality of reaction gas supply ports on the surface of the stack of the fuel cell stack, that is, on the surface of the anode and the cathode of the membrane electrode assembly. Can be supplied. Therefore, it is possible to suppress the generated water generated by the power generation from locally staying on the surface of at least one of the anode and the cathode and blocking the reaction gas flow path. Further, it is possible to suppress the gas that is not used for power generation from locally staying on the surface of at least one of the anode and the cathode and blocking the reaction gas flow path. As a result, it is possible to suppress a decrease in the power generation capacity of the fuel cell stack described above.
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。
In the fuel cell, the shape, opening area, and arrangement of the plurality of reaction gas supply ports can be arbitrarily set,
The plurality of reaction gas supply ports may be formed at, for example, substantially equidistant positions.
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。 By doing so, the in-plane distribution can be made uniform over the entire surface of at least one of the anode and the cathode of the laminate, and the corresponding reaction gas can be distributed and supplied two-dimensionally. As a result, power can be generated efficiently.
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。
In the fuel cell,
It is preferable that the opening area of the plurality of reaction gas supply ports is increased as the reaction gas supply port to which the reaction gas is supplied from the downstream side of the reaction gas supply channel.
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。 A plurality of reaction gas supply ports having substantially the same opening area are arranged at approximately equal intervals from the upstream to the downstream of the reaction gas flowing through the reaction gas supply flow path, and at least one of the anode of the laminate and the cathode When supplying the reaction gas to the surface, the supply pressure becomes lower toward the downstream side of the reaction gas. In this case, the supply amount of the reaction gas supplied from each reaction gas supply port per unit time decreases toward the downstream side of the reaction gas.
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。 In the present invention, since the opening area of the reaction gas supply port is increased toward the downstream side of the reaction gas, the supply amount of the reaction gas supplied from each reaction gas supply port per unit time can be made uniform. As a result, power can be generated more efficiently.
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。
In the fuel cell of the present invention,
The opening areas of the plurality of reaction gas supply ports are substantially the same,
The formation intervals of the plurality of reaction gas supply ports may be closer to the reaction gas supply port to which the reaction gas is supplied from the downstream side of the reaction gas supply channel.
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。 By doing this, even if the supply pressure of the reaction gas is low downstream of the reaction gas, the in-plane distribution of the supply amount of the reaction gas to at least one surface of the anode and the cathode can be made uniform. It can generate electricity well.
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。
In any of the above fuel cells,
The intermediate plate is further sandwiched between the anode facing plate and the cathode facing plate, thereby forming a cooling medium flow path for forming a cooling medium flow path for flowing a cooling medium for cooling the fuel cell. It is preferable to provide a forming part.
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。 By doing so, the thickness of the separator can be made thinner than when the cooling medium flow path is formed using another member. As a result, the fuel cell stack can be reduced in size.
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。
In the fuel cell, a plurality of intermediate plates may be prepared, and each of the intermediate plates may be provided with a reaction gas supply flow path forming part and a cooling medium flow path forming part separately.
It is preferable that the single intermediate plate includes both the reaction gas supply flow path forming portion and the cooling medium flow path forming portion.
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。 By doing so, the number of parts constituting the separator can be reduced as compared with the case where the reactive gas supply flow path forming part and the cooling medium flow path forming part are formed as separate members. Furthermore, the fuel cell can be reduced in size.
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。
In any of the above fuel cells,
At least one of the anode facing plate and the cathode facing plate having the plurality of reaction gas supply ports is further penetrated in the thickness direction of the plate and supplied from the plurality of reaction gas supply ports. An exhaust gas exhaust port for exhausting exhaust gas, which is the remaining gas that has not been used for power generation among the reaction gas, in a direction perpendicular to the surface of the laminate,
The intermediate plate is further sandwiched between the anode facing plate and the cathode facing plate, thereby forming an exhaust gas exhaust passage for exhausting the exhaust gas from the exhaust gas exhaust port to the outside. You may make it provide a gas discharge flow path formation part.
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。 By doing so, it is possible to discharge reaction gas that is not consumed in power generation or gas that is not used in power generation to the outside.
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。
In the fuel cell,
The plurality of reactive gas supply ports are provided in the anode facing plate,
At least during power generation, the exhaust gas may not be discharged to the outside from the gas discharge port in the anode facing plate.
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。 In this way, almost all of the fuel gas supplied to the anode can be consumed without being discharged to the outside at least during power generation, so that the fuel gas can be used efficiently.
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。
In the fuel cell of the present invention,
The anode facing plate includes the plurality of reaction gas supply ports;
The reaction gas supplied from the plurality of reaction gas supply ports may be used for power generation without being discharged to the outside. The anode facing plate is provided with the above-described plurality of gas supply ports, but is not provided with a gas discharge port.
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。 By doing so, since all the fuel gas supplied to the anode can be used for power generation, the fuel gas can be used efficiently.
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。
In any of the above fuel cells,
The anode facing plate, the cathode facing plate, and the intermediate plate are each preferably made of a flat plate member.
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。 By doing so, it is possible to easily process the anode facing plate, the cathode facing plate, and the intermediate plate.
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。
In any of the above fuel cells,
The laminated body may include a gas diffusion layer made of a porous body for allowing the reaction gas to flow while diffusing in a direction along the surface on at least a cathode side surface of the laminated body.
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。 By doing so, the reaction gas can be efficiently diffused and supplied to at least the entire surface of the cathode.
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。 The present invention can be configured as an invention of a fuel cell system including the fuel cell, in addition to the configuration as the fuel cell described above.
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:
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in the following order based on examples.
A. First embodiment:
A1. Configuration of fuel cell system:
A2. Fuel cell module configuration:
B. Second embodiment:
C. Third embodiment:
D. Fourth embodiment:
E. Variation:
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。
A. First embodiment:
A1. Configuration of fuel cell system:
FIG. 1 is an explanatory diagram showing a schematic configuration of a
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。
The
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。
The
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。
The
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。
Although not shown in the figure, the
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。
Hydrogen as fuel gas is supplied to the anode of the
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。
The high-pressure hydrogen stored in the
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。
Compressed air compressed by the
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。
Cooling water for cooling the
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。
A2. Fuel cell module configuration:
FIG. 2 is a plan view of components of the
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。
FIG. 2A is a plan view of the
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。
FIG. 2B is a plan view of the
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。
FIG. 2C is a plan view of the
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。
FIG. 2D is a plan view seen from the cathode side of the
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。
As shown in FIG. 3, the
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。
The
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。
As shown in FIG. 2D, the
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。
FIG. 4 is a plan view of the
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。
As can be seen from the figure, in the
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。
FIG. 5 is an explanatory view showing a cross-sectional structure of the
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。
The metal
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。
5A, in the
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。
5B, in the
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。
Although illustration is omitted, the cooling water flowing through the cooling water supply through
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。
According to the
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。
As described above, the
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。
Further, in this embodiment, since the cooling water flow
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。
Further, by processing a single member of the hydrogen supply flow
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。
B. Second embodiment:
The fuel cell system of the second embodiment is the same as the
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。
FIG. 6 is a plan view of components of the fuel cell module 40A in the fuel cell stack of the second embodiment. Similarly to the
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。
FIG. 6A is a plan view of the
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。
FIG. 6B is a plan view of the
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。
FIG. 6C is a plan view of the
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。
FIG. 6D is a plan view seen from the cathode side of the
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。
FIG. 7 is a plan view of the
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。
As can be seen, in the
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。 FIG. 8 is an explanatory view showing a cross-sectional structure of the fuel cell module 40A. FIG. 8A shows a cross-sectional view taken along the line AA in FIG. FIG. 8B shows a cross-sectional view taken along the line BB in FIG. Further, FIG. 8C shows a cross-sectional view taken along the line CC in FIG.
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。
7 and 8, in the fuel cell module 40A, the hydrogen supply through hole 442Aa of the
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。
In the fuel cell module 40A, the air flowing through the air supply through-hole 424Aa of the
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。
Further, the cooling water flowing through the cooling water supply through hole 426Aa of the
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。
According to the fuel cell stack of the second embodiment described above, the direction perpendicular to the surface of the anode of the
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。
C. Third embodiment:
FIG. 9 is an explanatory diagram showing a schematic configuration of a
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。
FIG. 10 is a plan view of the components of the
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。
FIG. 10A is a plan view of the
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。
FIG. 10B is a plan view of the
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。
FIG. 10C is a plan view of the
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。
FIG. 10D is a plan view seen from the cathode side of the
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。
FIG. 11 is a plan view of the
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。
As can be seen from the figure, in the
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。
FIG. 12 is an explanatory diagram showing a cross-sectional structure of the
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。
As shown by the arrows in FIG. 12A, in the
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。
12B, in the
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。
The coolant flowing through the cooling water supply through hole 426Ba of the
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。
According to the
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。
D. Fourth embodiment:
The fuel cell system of the fourth embodiment is the same as the
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。
FIG. 13 is a plan view of the components of the
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。
FIG. 13A is a plan view of the
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。
FIG. 13B is a plan view of the
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。
FIG. 13C is a plan view of the
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。
FIG. 13D is a plan view seen from the cathode side of the
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。
FIG. 14 is a plan view of the
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。
As can be seen, in the
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。
FIG. 15 is an explanatory diagram showing a cross-sectional structure of the
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。
14 and 15, in the
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。
In the
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。
Further, the cooling water flowing through the cooling water supply through hole 426Ca of the
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。
Also in the fuel cell stack of the fourth embodiment described above, from a plurality of hydrogen supply ports 422Ci arranged at substantially equal intervals on the
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。
E. Variation:
As mentioned above, although several embodiment of this invention was described, this invention is not limited to such embodiment at all, and implementation in various aspects is possible within the range which does not deviate from the summary. It is. For example, the following modifications are possible.
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。
E1. Modification 1:
FIG. 16 is an explanatory diagram showing a schematic configuration of a
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。
E2. Modification 2:
In the first embodiment, in the
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。
FIG. 17 is a plan view of
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。
In the
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。
Further, in the
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。
In addition, as shown in FIG. 17C, in the
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。 These can also be applied to the hydrogen supply port in the anode facing plate of the other embodiments, and the air supply port in the cathode facing plate of the second and fourth embodiments.
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。
E3. Modification 3:
FIG. 18 is an explanatory diagram showing a cross-sectional structure of a fuel cell module as a modification of the
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。
E4. Modification 4:
In the above-described embodiments, the anode facing plate includes a plurality of hydrogen supply ports arranged two-dimensionally dispersed, and the anode facing plate and the plurality of cathode facing plates arranged two-dimensionally dispersed. However, at least one of the anode facing plate and the cathode facing plate includes a plurality of supply ports arranged in a two-dimensional manner. do it.
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。
E5. Modification 5:
In the above embodiment, the cooling water flow path is formed inside the intermediate plate. However, the present invention is not limited to this, and the cooling water flow path may be formed using other members. However, according to the said Example, the thickness of a separator can be made thin rather than forming a cooling water flow path using another member. As a result, the fuel cell stack can be reduced in size. Moreover, according to the said Example, since the gas flow path and the cooling water flow path are formed by processing a single member, it is possible to reduce the number of parts compared to forming these using separate members. Can do.
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。
E6. Modification 6:
In the above embodiment, the anode facing plate, the intermediate plate, and the cathode facing plate are all flat plates, but the present invention is not limited thereto. It is good also as a separator using the anode opposing plate and the cathode opposing plate in which the groove-shaped gas flow path was formed like the technique described in patent document 1 shown previously. However, if the anode facing plate, the intermediate plate, and the cathode facing plate are flat plates, the processing can be easily performed.
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
DESCRIPTION OF
Claims (11)
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。 A fuel cell having a stack structure in which a plurality of laminated bodies each having an anode and a cathode are disposed on both surfaces of a predetermined electrolyte membrane having proton conductivity with a separator interposed therebetween,
The separator is
An anode facing plate facing the anode of the laminate;
A cathode facing plate facing the cathode of the laminate;
An intermediate plate sandwiched between the anode facing plate and the cathode facing plate;
At least one of the anode facing plate and the cathode facing plate penetrates in the thickness direction of the plate, and a predetermined reaction gas is introduced to the surface of the stacked body from a direction perpendicular to the surface of the stacked body. A plurality of reaction gas supply ports for supplying,
The intermediate plate is sandwiched between the anode facing plate and the cathode facing plate, thereby forming a reaction gas supply channel for supplying the reaction gas to each of the plurality of reaction gas supply ports. A gas supply flow path forming section;
The plurality of reaction gas supply ports are two-dimensionally distributed with respect to the plate surface of the plate having the plurality of reaction gas supply ports.
Fuel cell.
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。 The fuel cell according to claim 1, wherein
The plurality of reactive gas supply ports are formed at substantially equal positions.
Fuel cell.
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。 The fuel cell according to claim 2, wherein
The reaction gas supply port to which the reaction gas is supplied from the downstream side of the reaction gas supply channel is wider as the opening area of the plurality of reaction gas supply ports.
Fuel cell.
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。 The fuel cell according to claim 1, wherein
The opening areas of the plurality of reaction gas supply ports are substantially the same,
The formation interval of the plurality of reaction gas supply ports is closer to the reaction gas supply port to which the reaction gas is supplied from the downstream side of the reaction gas supply channel.
Fuel cell.
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。 A fuel cell according to any one of claims 1 to 4,
The intermediate plate is further sandwiched between the anode facing plate and the cathode facing plate, thereby forming a cooling medium flow path for forming a cooling medium flow path for flowing a cooling medium for cooling the fuel cell. Comprising a forming part,
Fuel cell.
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。 The fuel cell according to claim 5, wherein
The single intermediate plate includes the reactive gas supply flow path forming portion and the cooling medium flow path forming portion.
Fuel cell.
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。 The fuel cell according to any one of claims 1 to 6,
At least one of the anode facing plate and the cathode facing plate having the plurality of reaction gas supply ports is further penetrated in the thickness direction of the plate and supplied from the plurality of reaction gas supply ports. An exhaust gas exhaust port for exhausting exhaust gas, which is the remaining gas that has not been used for power generation among the reaction gas, in a direction perpendicular to the surface of the laminate,
The intermediate plate is further sandwiched between the anode facing plate and the cathode facing plate, thereby forming an exhaust gas exhaust passage for exhausting the exhaust gas from the exhaust gas exhaust port to the outside. Comprising a gas discharge flow path forming section,
Fuel cell.
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。 The fuel cell according to claim 7, wherein
The plurality of reactive gas supply ports are provided in the anode facing plate,
At least during power generation, the exhaust gas is not discharged to the outside from the gas discharge port in the anode facing plate.
Fuel cell.
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。 The fuel cell according to any one of claims 1 to 6,
The cathode facing plate includes the plurality of reaction gas supply ports,
The reaction gas supplied from the plurality of reaction gas supply ports is used for power generation without being discharged to the outside.
Fuel cell.
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。 The fuel cell according to any one of claims 1 to 9,
The anode facing plate, the cathode facing plate, and the intermediate plate are each formed of a flat plate member.
Fuel cell.
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。 The fuel cell according to any one of claims 1 to 10,
The laminate includes a gas diffusion layer made of a porous body for allowing the reaction gas to flow while diffusing in a direction along the surface on at least a cathode side surface of the laminate.
Fuel cell.
Priority Applications (7)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2006011204A JP2007194074A (en) | 2006-01-19 | 2006-01-19 | Fuel cell |
CA2633575A CA2633575C (en) | 2006-01-19 | 2007-01-18 | Fuel cell having separator with distributed inlets for reactive gas or water |
PCT/JP2007/051123 WO2007083838A1 (en) | 2006-01-19 | 2007-01-18 | Fuel cell |
US12/159,903 US20090098435A1 (en) | 2006-01-19 | 2007-01-18 | Fuel cells |
KR1020087017598A KR101025943B1 (en) | 2006-01-19 | 2007-01-18 | Fuel cells |
EP07707370A EP1978585A4 (en) | 2006-01-19 | 2007-01-18 | Fuel cell |
CN2007800016281A CN101366138B (en) | 2006-01-19 | 2007-01-18 | Fuel cell |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2006011204A JP2007194074A (en) | 2006-01-19 | 2006-01-19 | Fuel cell |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2007194074A true JP2007194074A (en) | 2007-08-02 |
Family
ID=38449604
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2006011204A Pending JP2007194074A (en) | 2006-01-19 | 2006-01-19 | Fuel cell |
Country Status (2)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2007194074A (en) |
CN (1) | CN101366138B (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2013120639A (en) * | 2011-12-06 | 2013-06-17 | Konica Minolta Inc | Fuel cell system |
JP2013157315A (en) * | 2012-01-06 | 2013-08-15 | Nippon Soken Inc | Fuel battery |
Families Citing this family (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN102396094B (en) * | 2009-04-15 | 2014-03-12 | 丰田自动车株式会社 | Fuel cell system |
JP5240282B2 (en) * | 2010-12-06 | 2013-07-17 | トヨタ自動車株式会社 | Fuel cell |
DK3204977T3 (en) * | 2014-10-06 | 2024-02-05 | Eos Energy Tech Holdings Llc | Electrolyte for rechargeable electrochemical cell |
KR101693993B1 (en) * | 2015-05-20 | 2017-01-17 | 현대자동차주식회사 | Bipolar plate for fuel cell |
US10581106B2 (en) * | 2016-09-30 | 2020-03-03 | Cummins Enterprise Llc | Interconnect for an internally-manifolded solid oxide fuel cell stack; and related methods and power systems |
CN110797548A (en) * | 2019-10-09 | 2020-02-14 | 天津大学 | Foam fuel cell without cathode gas diffusion layer |
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH08287934A (en) * | 1995-04-10 | 1996-11-01 | Toyota Motor Corp | Fuel cell |
JP2002208412A (en) * | 2001-01-09 | 2002-07-26 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | Polymer electrolyte fuel cell |
JP2003197217A (en) * | 2001-08-21 | 2003-07-11 | Equos Research Co Ltd | Fuel cell |
JP2003197223A (en) * | 2001-12-17 | 2003-07-11 | Korea Advanced Inst Of Sci Technol | Porous gas distribution plate for small fuel cell, and separator plate for small fuel cell manufactured including this |
JP2004303558A (en) * | 2003-03-31 | 2004-10-28 | National Institute Of Advanced Industrial & Technology | Fuel cell |
JP2005038738A (en) * | 2003-07-16 | 2005-02-10 | Mitsubishi Rayon Co Ltd | Gas diffusion layer electrode base material, its manufacturing method, and polymer electrolyte fuel cell |
-
2006
- 2006-01-19 JP JP2006011204A patent/JP2007194074A/en active Pending
-
2007
- 2007-01-18 CN CN2007800016281A patent/CN101366138B/en not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH08287934A (en) * | 1995-04-10 | 1996-11-01 | Toyota Motor Corp | Fuel cell |
JP2002208412A (en) * | 2001-01-09 | 2002-07-26 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | Polymer electrolyte fuel cell |
JP2003197217A (en) * | 2001-08-21 | 2003-07-11 | Equos Research Co Ltd | Fuel cell |
JP2003197223A (en) * | 2001-12-17 | 2003-07-11 | Korea Advanced Inst Of Sci Technol | Porous gas distribution plate for small fuel cell, and separator plate for small fuel cell manufactured including this |
JP2004303558A (en) * | 2003-03-31 | 2004-10-28 | National Institute Of Advanced Industrial & Technology | Fuel cell |
JP2005038738A (en) * | 2003-07-16 | 2005-02-10 | Mitsubishi Rayon Co Ltd | Gas diffusion layer electrode base material, its manufacturing method, and polymer electrolyte fuel cell |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2013120639A (en) * | 2011-12-06 | 2013-06-17 | Konica Minolta Inc | Fuel cell system |
JP2013157315A (en) * | 2012-01-06 | 2013-08-15 | Nippon Soken Inc | Fuel battery |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
CN101366138A (en) | 2009-02-11 |
CN101366138B (en) | 2010-09-22 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
KR101025943B1 (en) | Fuel cells | |
JP2007194074A (en) | Fuel cell | |
JP2007227377A (en) | Fuel cell integrated humidification | |
US8268503B2 (en) | Fuel cell stack | |
CA2594530C (en) | Fuel cell separator | |
JP2007207586A (en) | Fuel cell | |
US8986897B2 (en) | Fuel cell comprising single layer bipolar plates, water damming layers and MEA of diffusion layers locally treated with water transferring materials, and integrating functions of gas humidification, membrane hydration, water removal and cell cooling | |
JPH10223238A (en) | Solid polymer electrolyte fuel cell laminate, and manufacture of gas separation plate of the same | |
JP2007226991A (en) | Fuel cell | |
JP4899546B2 (en) | Separator and fuel cell | |
JP2009094046A (en) | Fuel cell | |
JP4185734B2 (en) | Fuel cell stack | |
JP2008004494A (en) | Fuel cell | |
JP2008021518A (en) | Separator structure of fuel cell | |
JP2011171115A (en) | Fuel cell | |
JP5051979B2 (en) | Fuel cell | |
JP2008108498A (en) | Fuel cell | |
JP2011086519A (en) | Fuel cell stack and separator | |
JP2008293808A (en) | Separator and fuel cell | |
JP2007018742A (en) | Fuel cell | |
JP7531540B2 (en) | Fuel cell separator and power generation cell | |
JP2006216492A (en) | Fuel cell | |
WO2024202866A1 (en) | Membrane electrode structure for fuel cell | |
JP2006164766A (en) | Fuel cell | |
JP2005222809A (en) | Fuel battery |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20081001 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20111101 |
|
A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20120508 |