JP2008108571A - Separator and fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、流体流路を有するセパレータおよび燃料電池に関する。 The present invention relates to a separator having a fluid flow path and a fuel cell.
従来の燃料電池の構成の概略について説明する。図12に例示したように、電解質膜12の一方の面にカソード触媒層14(カソード極または酸化剤極ともいう)と、もう一方の面にアノード触媒層16(アノード極または燃料極ともいう)とを電解質膜12を挟んで対向するように設け、さらにカソード触媒層14の外側にカソード拡散層18を、またアノード触媒層16の外側にアノード拡散層20を、それぞれ設け、いわゆる膜電極接合体(MEA)が構成されている。また、カソード拡散層18の外側には、酸化ガス流路26およびセル冷媒流路30が形成されたカソード側セパレータ22が、アノード拡散層20の外側には、燃料ガス流路28およびセル冷媒流路30が形成されたアノード側セパレータ24が、例えば、接着などにより一体化されて、単位セル10が形成される。
An outline of the configuration of a conventional fuel cell will be described. As illustrated in FIG. 12, a cathode catalyst layer 14 (also referred to as a cathode electrode or an oxidizer electrode) is formed on one surface of the
カソード触媒層14に酸素や空気等のカソード用原料(以下、原料ガスまたは反応ガスとも称する)を、アノード触媒層16に水素等のアノード用原料(以下、原料ガスまたは反応ガスとも称する)を、それぞれ供給して発電する。この単位セル10を複数枚積層させることにより、所望の発電性能を有する燃料電池が形成される。このような燃料電池は通常、発電時には例えば60℃から100℃程度の所定の温度範囲となるように制御されているが、発電時には化学反応に伴う熱を発生するため、セル冷媒流路30に水などの冷媒を流通させて燃料電池の過熱を防止している。
A cathode raw material such as oxygen or air (hereinafter also referred to as a raw material gas or a reactive gas) is used for the
図13は、図12に示したカソード側セパレータ22において、特にカソード側セパレータ22の一方面側に形成された酸化ガス流路26の流路構造の一例を示す概略図である。図13において、カソード側セパレータ22は、単位セル10の積層方向に貫通させて、各セル間にカソード用原料である酸化ガスを連通させる酸化ガス供給マニホールド32および酸化ガス排出マニホールド34と、これらのマニホールドの双方に連通し、各単セル10内に分岐させて酸化ガスを流通させる酸化ガス流路26を有する。
FIG. 13 is a schematic diagram showing an example of the flow path structure of the oxidizing
酸化ガス流路26は、カソード側セパレータ22の、MEAに圧接される面全体にわたりほぼ等間隔に形成された複数の流路溝26a〜26fを有し、例えば図12に示すようにカソード側セパレータ22と圧接させたときにMEAとの間に生じる面圧の偏在に伴う、MEAの疲労劣化などの不具合の発生を抑制または防止している。また、図13に示すように、酸化ガス流路26を形成する複数の流路溝26a〜26fのそれぞれには折れ曲がり部40a,40b,40c,40dがそれぞれ設けられ、カソード側セパレータ22の面全体において、図12に示すカソード拡散層18への酸化ガスの供給を効率よく行なうようにしている。
The oxidizing
図12,13に示すように、酸化ガス供給マニホールド32から単位セル10内に導入された酸化ガスは、酸化ガス流路26において、MEAを介する電池反応に供される。具体的には、酸化ガス流路26を流通する酸化ガスの少なくとも一部がカソード拡散層18を経由してカソード触媒層14内に送られる。燃料電池の運転中、カソード触媒層14に送られた酸化ガス中の酸素が、アノード触媒層16側から電解質膜12を透過した水素イオンと、外部回路を通じ供給された電子とともに消費されて水を生成する。
As shown in FIGS. 12 and 13, the oxidizing gas introduced into the
つまり、図13に示すように、酸化ガス流路26の、酸化ガス供給マニホールド32側、すなわち上流側から、酸化ガス排出マニホールド34側、すなわち下流側への酸化ガスの流通に従い、酸化ガス中に含まれる酸素は、MEAにおける電池反応により、徐々に消費される。このため、酸化ガス流路26の下流側を流通する酸化ガス量は、酸化ガス流路26の上流側を流通する酸化ガス量と比較して、少なくとも消費された酸素ガス分だけ減少している。
That is, as shown in FIG. 13, in the oxidizing
また、カソード触媒層14で生成した水の少なくとも一部が、カソード拡散層18を経由し、気体として酸化ガス流路26に流入する。このため、酸化ガス流路26内の水分量は、一般に上流側から下流側にすすむにつれて徐々に増加していく。
Further, at least a part of the water generated in the
上述したように、酸化ガス排出マニホールド34から単位セル10の外部に排出される酸化ガス、つまり使用済み酸化ガスは、酸化ガス供給マニホールド32から導入された酸化ガスと比較して、酸素分圧が低下している一方、水の分圧が上昇している。
As described above, the oxidizing gas discharged from the oxidizing
カソード触媒層14および/または酸化ガス流路26内の水分が十分に排出されずに滞留してしまうと、水分の少なくとも一部が凝縮した場合にガス流路の閉塞、いわゆるフラッディングを引き起こし、酸化ガスの供給不足に伴う出力低下に繋がるおそれがある。このため、酸化ガス流路26内の水分を確実に単位セル10の外部に排出するよう、酸化ガス流路26内を流通する酸化ガスの流量または流速、特に酸化ガスの流速の低下しがちな下流部において、少なくとも所定の流速(下限流速)以上に維持させることが望ましい。
If moisture in the
酸化ガス流路26の下流部において、酸化ガスの流量を少なくとも所定の値以上に維持させるために、例えば下流部における酸化ガス流路26の、各流路溝の溝深さや溝幅を狭める方法が考えられる。しかし、溝深さの大幅な変更については、セパレータ厚の偏肉が生じやすくなり、成形性が悪化するおそれがあるため、あまり好ましくない。また溝幅の変更は、成形性およびMEAに対する面圧負荷が不均一になるおそれがあるため、電解質膜等の耐久性の観点からあまり好ましくない。一方、特許文献1〜6に記載の流路構造によれば、いずれの場合についても下流側における流体の流量および/または流速の低下を抑制することが可能となると考えられる。
In order to maintain the flow rate of the oxidizing gas at least at a predetermined value or more in the downstream portion of the oxidizing
しかしながら、特許文献1〜6に記載のいずれの場合についても、並行して配設された複数の流路溝をセパレータ面内において折り曲げる、折れ曲がり部の外側部分と内側部分とで圧力損失などが相違することにより、セパレータ面内における流体の流量および/または流速に相違が生じ、単位時間ごとに流通する反応ガス量(アノード用原料である燃料ガス量および/またはカソード用原料である酸化ガス量)がばらつくおそれがあった。
However, in any case described in
セパレータ面内における反応ガス量のばらつきは、MEAの部位による電池反応のばらつきにつながるため、MEAの部位によっては、所定の発電性能が十分に発揮されないおそれがあった。さらに、MEAの部位による発電性のばらつきは、MEAの局所的な劣化に繋がるおそれがあった。 The variation in the amount of the reaction gas in the separator surface leads to the variation in the battery reaction depending on the MEA site. Therefore, depending on the MEA site, the predetermined power generation performance may not be sufficiently exhibited. Furthermore, the variation in the power generation property due to the MEA site may lead to local degradation of the MEA.
また、互いに隣接する流路溝が、ガスの進行方向が反転するように折り返される部分では、相対的に圧損が高い外側の流路溝から内側の流路溝に、拡散層を介してガスが流れ込む場合がある。かかる場合には、外側の流路溝のガス流量が減少し、外側の流路溝における排水性が低下するという課題もあった。 Further, in the portion where the adjacent flow grooves are folded so that the gas traveling direction is reversed, the gas flows from the outer flow groove having a relatively high pressure loss to the inner flow groove through the diffusion layer. May flow in. In such a case, there is a problem that the gas flow rate in the outer channel groove is reduced and the drainage performance in the outer channel groove is lowered.
本発明は、流体流路の下流部における流速の低下を防止または抑制するとともに、流体の面方向における部分的な流量のばらつきを低減または防止することを目的とする。 An object of the present invention is to prevent or suppress a decrease in flow velocity in a downstream portion of a fluid flow path, and to reduce or prevent a partial flow rate variation in a fluid surface direction.
また、本発明は他に、セパレータの面方向に折れ曲がり部を有する複数の流路溝からなる流体流路において、特に折れ曲がり部における流速の低下を抑制または防止することを目的とする。 In addition, another object of the present invention is to suppress or prevent a decrease in flow rate particularly in a bent portion in a fluid flow channel including a plurality of flow channel grooves having a bent portion in the surface direction of the separator.
さらに、本発明の別の目的は、反応ガス流路内におけるフラッディングの発生を抑制または防止することにある。 Furthermore, another object of the present invention is to suppress or prevent the occurrence of flooding in the reaction gas flow path.
本発明の構成は以下のとおりである。 The configuration of the present invention is as follows.
(1)複数の流路溝がセパレータ面内で折れ曲がり部を有するとともに、前記折れ曲がり部には互いに隣接する流路同士が合流する合流部を備える流路構造を有し、前記折れ曲がり部の外周部と内周部で合流する流路の本数が異なる、セパレータ。 (1) The plurality of flow channel grooves have a bent portion in the separator surface, and the bent portion has a flow channel structure including a merge portion where adjacent flow channels merge with each other, and an outer peripheral portion of the bent portion. And the number of flow paths that merge at the inner periphery differs.
(2)上記(1)に記載のセパレータにおいて、内周部における流路の合流本数が外周部における流路の合流本数より多い、セパレータ。 (2) The separator according to (1), wherein the number of merged channels in the inner circumferential portion is greater than the number of merged channels in the outer circumferential portion.
(3)上記(2)に記載のセパレータにおいて、前記合流部は、前記折れ曲がり部の内周部にのみ有する、セパレータ。 (3) The separator according to (2), wherein the merging portion is provided only at an inner peripheral portion of the bent portion.
(4)上方の上流側から下方の下流側に流路断面積を小さくしつつ流体を流通させるとともに、複数の流路溝がセパレータ面内で複数の折れ曲がり部を有する流路構造を有し、セパレータ設置時の、セパレータ面内における流体の流通する領域は、水平方向よりも鉛直方向に長い、セパレータ。 (4) The flow channel structure has a plurality of bent portions in the separator surface, and a plurality of flow channel grooves have a flow path while reducing the flow channel cross-sectional area from the upper upstream side to the lower downstream side, The region where the fluid flows in the separator plane when the separator is installed is longer in the vertical direction than in the horizontal direction.
(5)上記(4)に記載のセパレータにおいて、前記流体が、反応ガスである、セパレータ。 (5) The separator according to (4), wherein the fluid is a reactive gas.
(6)上記(4)に記載のセパレータにおいて、前記流体が、酸化ガスである、セパレータ。 (6) The separator according to (4), wherein the fluid is an oxidizing gas.
(7)複数の流路溝が単位セルに並行する面内で折れ曲がり部を有するとともに、前記折れ曲がり部には互いに隣接する流路同士が合流する合流部を備える流路構造を有し、前記折れ曲がり部の外周部と内周部で合流する流路の本数が異なる、燃料電池。 (7) The plurality of flow channel grooves have a bent portion in a plane parallel to the unit cell, and the bent portion has a flow channel structure including a merge portion where adjacent flow channels merge with each other, and the bent portion A fuel cell in which the number of flow paths that merge at the outer peripheral portion and the inner peripheral portion is different.
(8)上方の上流側から下方の下流側に流路断面積を小さくしつつ流体を流通させるとともに、複数の流路溝が単位セルに並行する面内で複数の折れ曲がり部を有する流路構造を有し、前記面内における流体の流通する領域は、単位セル設置時の水平方向よりも鉛直方向に長い、燃料電池。 (8) A flow channel structure in which a fluid is circulated from the upper upstream side to the lower downstream side while reducing the flow channel cross-sectional area, and the plurality of flow channel grooves have a plurality of bent portions in a plane parallel to the unit cell. The region in which the fluid flows in the plane is longer in the vertical direction than in the horizontal direction when the unit cell is installed.
(9)上記(8)に記載の燃料電池において、前記流体が、反応ガスである、燃料電池。 (9) The fuel cell according to (8), wherein the fluid is a reactive gas.
本発明によれば、流体流路の下流部における流速の低下を防止または抑制するとともに、流体の面方向における部分的な流量の低下をも抑制または防止することが可能となる。 According to the present invention, it is possible to prevent or suppress a decrease in the flow velocity in the downstream portion of the fluid flow path and to suppress or prevent a partial decrease in the flow rate in the surface direction of the fluid.
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は、本発明の実施の形態におけるカソード側セパレータ122において、特にカソード側セパレータ122の一方面側に形成された酸化ガス流路126の流路構造の一例を示す概略図である。図1において、カソード側セパレータ122は、図11に示すカソード側セパレータ22の酸化ガス流路26に替えて酸化ガス流路126を有することを除き、カソード側セパレータ22とほぼ同様の構成を有している。
FIG. 1 is a schematic view showing an example of a flow channel structure of an oxidizing
図1において、カソード側セパレータ122の一方面側に形成された酸化ガス流路126は、カソード側セパレータ122の、MEAに圧接される面全体にわたりほぼ等間隔に形成された複数の流路溝を有し、それぞれの流路溝には複数の折れ曲がり部が設けられ、カソード拡散層18(図12)への酸化ガスの供給をカソード側セパレータ122の面全体において効率よく行なうことを可能にしている。
In FIG. 1, the oxidizing
酸化ガス流路126のうち、折れ曲がり部140bにおいて、内周側を流通する流路溝126a〜流路溝126dを合流させることにより、流路溝の本数を、8本から6本に減少させる。また、折れ曲がり部140dにおいて、内周側を流通する流路溝126e〜流路溝126hを合流させることにより、流路溝の本数を、6本から4本にさらに減少させる。このように、酸化ガス流路126は、流路溝の本数を次第に減少させることにより、酸化ガス供給マニホールド32から導入された酸化ガスの流速を所定値以下に低下させることなく酸化ガス排出マニホールド34まで流通させることが可能となる。
In the
図2は、図1に示した酸化ガス流路126における、Cで囲まれた部分について示した拡大図である。酸化ガス流路126のうち、流路溝126aと、これに隣接する流路溝126bが折れ曲がり部140bで合流しており、これに伴い折れ曲がり部140bの下流側には合流した流路溝126abが形成される。同様に、流路溝126cと、これに隣接する流路溝126dが折れ曲がり部140bで合流し、これに伴い折れ曲がり部140bの下流側には流路溝126cdが形成される。このように、折れ曲がり部140bにおいて、内周部を流通する流路溝を合流させることにより、折れ曲がり部140bの下流側では、溝本数が8本から6本に減少している。なお、隣接する流路溝がそれぞれ合流した流路溝126ab、126cdの溝幅はいずれも、流路溝126a〜126hの溝幅とほぼ同じである。
FIG. 2 is an enlarged view showing a portion surrounded by C in the oxidizing
一方、図1に示す折れ曲がり部140dにおいて、上述の折れ曲がり部140bと同様、内側部分を流通する流路溝126gと126h、流路溝126eと126fがそれぞれ合流する。このため、折れ曲がり部140dの下流側では、溝本数が6本から4本に減少している。また、隣接する流路溝がそれぞれ合流した流路溝126gh、126efの溝幅はいずれも、流路溝126a〜126hの溝幅とほぼ同じである。
On the other hand, in the
すなわち、酸化ガス流路126は、折れ曲がり部140b,140dにおいて互いに隣接する流路同士が合流する合流部を備え、上流側から下流側に進むにつれて溝本数を次第に減少させながら、徐々に流路断面積を減少させる構成を有している。このとき、折れ曲がり部の内周部にのみ合流部を有することにより、折り曲げ部の外周部を流通する流体の流速および/または流量と、折り曲げ部の内周部を流通する流体の流速および/または流量とを調整することが可能となり、酸化ガス流路126における、カソード側セパレータ122を流通する酸化ガス流量が面全体にわたり大きく変化せず、ほぼ同程度となる。
That is, the oxidizing
なお、折れ曲がり部での流路溝の合流に関しては、流体流路の形状や流通させる流体の種類等の諸条件により適宜設定することが可能である。すなわち、本発明の他の実施の形態において、折れ曲がり部の外周部と内周部で合流する流路の本数が異なっていれば、外周部において合流させることも可能であるが、内周部における流路の合流本数は、外周部における流路の合流本数よりも多いことが好ましい。外周部と内周部とで合流本数を同じにすると、外周部を流通する流体流量と内周部を流通する流体流量との差異は、合流前と大差ないか、さらに悪化してしまう。 The merging of the channel grooves at the bent portion can be appropriately set depending on various conditions such as the shape of the fluid channel and the type of fluid to be circulated. That is, in another embodiment of the present invention, if the number of flow paths that merge at the outer peripheral portion and the inner peripheral portion of the bent portion is different, it is possible to merge at the outer peripheral portion, The number of merged channels is preferably greater than the number of merged channels in the outer periphery. If the number of merges is the same between the outer peripheral part and the inner peripheral part, the difference between the fluid flow rate flowing through the outer peripheral part and the fluid flow rate flowing through the inner peripheral part is not much different from that before the merge, or is further deteriorated.
図3に、本発明の他の実施の形態におけるカソード側セパレータおよびこのセパレータの一方面側に形成された酸化ガス流路の流路構造の概略を例示する。図3に示すように、カソード側セパレータがいかなる形状であっても、また酸化ガス供給マニホールド32および/または酸化ガス排出マニホールド34がいかなる位置に配置されても、互いに隣接する流路同士が合流する合流部を備える流路構造を有し、折れ曲がり部の外周部と内周部で合流する流路の本数を異ならせることにより、酸化ガス流路全体にわたる酸化ガスの流通を好適な状態とすることが可能となる。
FIG. 3 schematically illustrates a cathode side separator in another embodiment of the present invention and a channel structure of an oxidizing gas channel formed on one side of the separator. As shown in FIG. 3, the flow paths adjacent to each other merge regardless of the shape of the cathode-side separator and the position where the oxidizing
例えば、図3(a)において、各流路溝を形成し、溝幅を規定するとともに、MEAと当接する溝山31の形状は、所定の幅を有する形状であるが、特に合流部において形成される先端部31aの形状は、図3(a)〜図3(f)に示すような矩形状でなくてもよく、流通する流体の抵抗を低減させるように適宜成形してもよい。例えば先細形状にしてもよく、または丸みをつけた、いわゆるRカット形状としてもよく、流通させる流体の特性に応じて適宜設定してよい。
For example, in FIG. 3 (a), each channel groove is formed, the groove width is defined, and the shape of the
図1および図3に示した流体流路においてはいずれも、隣接する流路溝を2本ずつ合流させているが、これに限らず、3つ以上の流路溝を一度に合流させることも可能である。 In both of the fluid flow paths shown in FIG. 1 and FIG. 3, two adjacent flow grooves are joined together. However, the present invention is not limited to this, and three or more flow grooves may be joined at once. Is possible.
上述した実施の形態についてはいずれも、カソード側セパレータの一方面側に形成された酸化ガス流路を例に挙げ、すなわち、流体流路を流通する流体は酸化ガスであるとして説明したが、これに限らず、酸化ガスと同様に、流路面内における一様の流量を維持することが必要である、燃料ガスを流通させる場合においても有効である。さらに、他の実施の形態として、冷媒を流通させる冷媒流路において適用した場合についても、圧損を調整することにより冷却性能を向上させることが可能となるため、有効である。 In all of the above-described embodiments, the oxidizing gas flow path formed on one side of the cathode separator is taken as an example, that is, the fluid flowing through the fluid flow path is described as the oxidizing gas. The present invention is not limited to this, and it is also effective in the case where fuel gas is circulated, which is required to maintain a uniform flow rate in the flow path surface, similarly to the oxidizing gas. Furthermore, as another embodiment, the present invention is also effective when applied to a refrigerant flow path for circulating a refrigerant, because the cooling performance can be improved by adjusting the pressure loss.
このように、複数の流路溝がセパレータ面内で折れ曲がり部を有するとともに、折れ曲がり部には互いに隣接する流路同士が合流する合流部を備える流体流路において、折れ曲がり部の外周部と内周部で合流する流路の本数を異ならせ、特に内周部において流路溝を合流させることにより、流体流路の上流側から下流側にかけて流速を低下させることなく、またセパレータ面内における流体流量の分布を一様にすることが可能となる。 As described above, in the fluid flow path including a plurality of flow path grooves having a bent portion in the separator surface and a merging portion in which the flow paths adjacent to each other merge in the bent portion, the outer peripheral portion and the inner periphery of the bent portion The flow rate in the separator surface can be reduced without decreasing the flow velocity from the upstream side to the downstream side of the fluid flow path by making the number of flow paths that merge at the section different, especially by joining the flow path grooves at the inner periphery. Can be made uniform.
なお、本発明の他の実施の形態として、例えば1本の流路溝を、折れ曲がり部において、2本以上に分岐させることも可能である。本構成を適用すると、下流側を流通する流体の流速は低下するため、あまり好ましくないが、例えば、電池反応面に最適な反応ガス流量および/または流速分布にするために、ある限られた部分のみの流量および/または流速を積極的に低下させる必要がある場合や、複数枚積層させた単セルにおいてそれぞれを流通する反応ガスや冷媒の流速を調整する必要がある場合に、流路溝の合流と分岐を組み合わせて適用することも可能である。 As another embodiment of the present invention, for example, one flow channel groove can be branched into two or more at a bent portion. When this configuration is applied, the flow velocity of the fluid flowing downstream is lowered, which is not preferable. However, for example, in order to obtain an optimum reaction gas flow rate and / or flow velocity distribution on the cell reaction surface, a certain limited portion is required. If the flow rate and / or flow rate of the gas only needs to be actively reduced, or if it is necessary to adjust the flow rate of the reaction gas or refrigerant flowing through each of the stacked single cells, It is also possible to apply a combination of merge and branch.
図4は、本発明の他の実施の形態におけるカソード側セパレータ222において、特にカソード側セパレータ222の一方面側に形成された酸化ガス流路226の流路構造の一例を示す概略図である。図4において、カソード側セパレータ222は、図1に示すカソード側セパレータ122の酸化ガス流路126に替えて酸化ガス流路226を有することを除き、カソード側セパレータ122とほぼ同様の構成を有している。
FIG. 4 is a schematic diagram showing an example of the flow path structure of the oxidizing
図4に示す酸化ガス流路226は、図1に示す酸化ガス流路126と比較すると、折れ曲がり部が多く(図1では5箇所に対し図4では10箇所)、この内、4箇所の折れ曲がり部(240c、240e、240gおよび240i)において、内周部を流通する流路溝を合流させることにより徐々に流路溝の本数を減少させ(8本→6本→4本→3本→2本)、上流側から下流側(ここでは酸化ガス供給マニホールド32側から酸化ガス排出マニホールド34側)に流路断面積を小さくしつつ流体を流通させている。このように、折れ曲がり部の数を適宜設定することにより、流路溝の本数の調整を複数回、段階的に行なうことが可能となり、酸化ガス流路226全体にわたり流体の流速および/または流量をより好ましい状態とすることが可能となる。
The oxidant
図4に示すカソード側セパレータ222を単位セルおよび他の部材と組み合わせて燃料電池とする際に、好ましくは上流側の酸化ガス供給マニホールド32側を上方、下流側の酸化ガス排出マニホールド34側を下方として配置される。このような流路溝の構成によれば、水平方向の長さが長くなるほど、徐々に流速が低下してしまうため、反応ガスに水分が混在するような条件下においては、水分の凝縮により流路溝の水平部分でフラッディングが発生しやすくなる可能性がある。セパレータ設置時の、セパレータ面内における流体の流通する領域を、水平方向よりも垂直方向または鉛直方向に長くすることにより、すなわち、図4において、X<Yとすることにより、酸化ガス流路226内での、特に流路溝の水平部分でのフラッディングの発生を防止または抑制することが可能となる。
When the
また、上述した実施の形態に示した流体流路は、図1、図4にそれぞれ示したような酸化ガス流路126、226に限らず、燃料ガス流路についても適用することが可能である。燃料ガス流路に本構成を適用することにより、湿潤させた燃料ガスに含まれる水分に由来するフラッディングの抑制または防止に寄与しうる。
In addition, the fluid flow path shown in the above-described embodiment is not limited to the oxidizing
なお、本実施の形態において、定置用の燃料電池においては、燃料電池は載置された状態のまま保持されるが、例えば車載用など、移動体に設置されるような場合においては、振動や傾斜により、水平方向、垂直または鉛直方向は前述した方向からずれる場合も想定されるが、そのような移動体に設置するような場合においても、例えば、移動時に傾斜した状態下におかれた場合においても常に流体流路における流体の流通する領域が、水平方向よりも垂直方向または鉛直方向に長くなるようにすることにより、いかなる場所において運転・停止させた場合においても常にフラッディングの発生を防止または抑制することが可能となる。 In the present embodiment, in the stationary fuel cell, the fuel cell is held in a mounted state. It is assumed that the horizontal, vertical, or vertical direction may deviate from the above-mentioned direction due to the inclination, but even when installed in such a moving body, for example, when it is placed in an inclined state during movement However, by always making the region where the fluid flows in the fluid flow path longer in the vertical direction or in the vertical direction than in the horizontal direction, it is always possible to prevent the occurrence of flooding when operating or stopping at any place. It becomes possible to suppress.
また、本実施の形態に示した流体流路はさらに、酸化ガス流路、燃料ガス流路などの反応ガス流路に限らず、冷媒流路に適用することも可能である。冷媒流路においてはフラッディングの影響を考慮する必要はないが、上述のように各パスに設けられた流路溝の本数を徐々に減少させることにより下流側における流速の低下を抑制または防止させると、補機動力の低減や冷却性能の向上に寄与することが可能となる。 Further, the fluid flow path shown in the present embodiment is not limited to a reaction gas flow path such as an oxidant gas flow path or a fuel gas flow path, and can also be applied to a refrigerant flow path. Although it is not necessary to consider the influence of flooding in the refrigerant flow path, if the number of flow path grooves provided in each path is gradually reduced as described above, the decrease in the flow velocity on the downstream side is suppressed or prevented. It is possible to contribute to reduction of auxiliary machine power and improvement of cooling performance.
上述した各実施の形態では、流体流路の折れ曲がり部において、内周部を流通する流路溝を合流させることにより流路溝の本数、すなわち流路断面積を減少させる構成を例示したが、これに限らない。上述したような構成とは逆に、流体流路の折れ曲がり部において、内周部より外周部における流路断面積を減少させるよう、外周部における流路の合流本数が内周部における流路の合流本数より多い構成としてもよく、他の実施の形態として、外周部にのみ合流部を有する構成としてもよい。かかる構成によれば、内周部における流路の合流本数が外周部における流路の合流本数より多い構成と比較して、折れ曲がり部における内周部と外周部との流路溝間で流通するガスの流量および/または流速の差の低減は見込めないものの、内周部側を流通する流体流路の圧損を低減しつつ、流体流量の少ない外周部側での流速を高めることにより、例えば、反応ガス流路における排水性の向上に寄与することが可能となる。 In each of the above-described embodiments, in the bent portion of the fluid flow channel, the number of flow channel grooves, that is, the configuration in which the cross-sectional area of the flow channel is reduced by merging the flow channel grooves flowing through the inner peripheral portion, Not limited to this. Contrary to the configuration as described above, in the bent part of the fluid flow path, the number of flow paths in the outer peripheral part is less than the inner peripheral part so that the cross-sectional area in the outer peripheral part is reduced from the inner peripheral part. It is good also as a structure more than the number of merge, and it is good also as a structure which has a merge part only in an outer peripheral part as other embodiment. According to such a configuration, compared with a configuration in which the number of merged channels in the inner circumferential portion is greater than the number of merged channels in the outer circumferential portion, the flow circulates between the channel grooves between the inner circumferential portion and the outer circumferential portion in the bent portion. Although the reduction in the difference between the gas flow rate and / or the flow velocity cannot be expected, by reducing the pressure loss of the fluid flow path that circulates on the inner peripheral side, and increasing the flow rate on the outer peripheral side where the fluid flow rate is small, for example, It becomes possible to contribute to the improvement of drainage in the reaction gas channel.
複数の折り曲げ部を有する流体流路の構成として、図5に示すようなモデルを想定し、検討した。図5において、第1の折れ曲がり部(1)−第1の水平部分(2)−第2の折れ曲がり部(3)までを第1のパス50、第3の折れ曲がり部(4)−第2の水平部分(5)−第4の折れ曲がり部(6)までを第2のパス52、第5の折れ曲がり部(7)−第3の水平部分(8)−第6の折れ曲がり部(9)までを第3のパス54、第7の折れ曲がり部(10)−第4の水平部分(11)−第8の折れ曲がり部(12)までを第4のパス54と規定する。また、第2の折れ曲がり部(3)と第3の折れ曲がり部(4)とを合わせて第1の折り返し部60、第4の折れ曲がり部(6)と第5の折れ曲がり部(7)とを合わせて第2の折り返し部62、第6の折れ曲がり部(9)と第7の折れ曲がり部(10)とを合わせて第3の折り返し部64、とそれぞれ称する場合もある。
As a configuration of the fluid flow path having a plurality of bent portions, a model as shown in FIG. 5 was assumed and examined. In FIG. 5, the first bent portion (1) -the first horizontal portion (2) -the second bent portion (3) are passed through the
図5において、流体流路は並行する複数の流路溝から構成されており、複数の流路溝の溝幅および溝深さは、流体流路全体にわたりほぼ一様である。図5に示すように、上流部における複数の流路溝のうち、対向する壁に沿った流れをそれぞれA,Bとする。複数の流路溝の溝幅および溝深さは、流体流路全体にわたりほぼ一様であり、流路溝A,Bの流路断面積はいずれも、第1の折れ曲がり部(1)から第8の折れ曲がり部(12)まで、ほぼ一定である。なお、以下に示す流体流路としては、特に断りのない限りカソード側セパレータの一方面側に形成された酸化ガス流路を例に挙げて説明したものである。すなわち、本実施の形態において、流体流路を流通する流体の流量は第1のパス50から第4のパス56まで一定でなく、燃料電池の運転により酸化ガス中の酸素が徐々に消費されていくことにより、酸化ガスの流量が次第に減少していく構成となっている。
In FIG. 5, the fluid flow path is composed of a plurality of parallel flow path grooves, and the groove widths and depths of the plurality of flow path grooves are substantially uniform over the entire fluid flow path. As shown in FIG. 5, let A and B be the flows along the opposing walls among the plurality of flow channel grooves in the upstream portion. The groove widths and groove depths of the plurality of flow channel grooves are substantially uniform over the entire fluid flow channel, and the flow channel cross-sectional areas of the flow channel grooves A and B are both the first bent portion (1) to the first bent portion (1). Up to 8 bends (12) is almost constant. In addition, as a fluid flow path shown below, the oxidation gas flow path formed on one surface side of the cathode side separator is described as an example unless otherwise specified. That is, in the present embodiment, the flow rate of the fluid flowing through the fluid flow path is not constant from the
<実施の形態1>
[実施例1]
図5に示したような流体流路において、各パスに設けられた流路溝の本数を徐々に減少させた場合における、各パスを流通する流体の平均の流速の変化の様子を図6に示した。図6に示すように、溝本数を徐々に減少させることにより、フラッディングが発生する流速の限界値(下限流速)を下回らないように、流体の流速を調整することが可能となる。
<
[Example 1]
FIG. 6 shows how the average flow velocity of the fluid flowing through each path changes when the number of channel grooves provided in each path is gradually reduced in the fluid flow path as shown in FIG. Indicated. As shown in FIG. 6, by gradually decreasing the number of grooves, it is possible to adjust the flow velocity of the fluid so as not to fall below the limit value (lower limit flow velocity) of the flow velocity at which flooding occurs.
[比較例1]
図7は、図5に示したような流体流路において、流路溝の本数を一定にした場合における、各パスを流通する流体の平均の流速の変化の様子である。図7に示すように、溝本数を減少させない場合には、下流側にすすむにつれて徐々に流速が低下していき、下限流速値以下になってしまうと、フラッディングが発生するおそれがある。なお、あらかじめ流速を早めにすることにより、下限流速値を下回らないようにすることも可能であるが、補機動力が余分に必要となるため、好ましくない。
[Comparative Example 1]
FIG. 7 shows how the average flow velocity of the fluid flowing through each path changes when the number of the channel grooves is constant in the fluid channel as shown in FIG. As shown in FIG. 7, when the number of grooves is not reduced, the flow rate gradually decreases as it goes downstream, and flooding may occur if the flow rate becomes lower than the lower limit flow rate value. Although it is possible to prevent the flow velocity from becoming lower than the lower limit flow velocity value by increasing the flow velocity in advance, it is not preferable because auxiliary power is required.
<実施の形態2>
図5に示したような流体流路において、各パスに設けられた流路溝の本数を徐々に減少させる場合に、合流部の位置による流量の差異について検討する。
<
In the fluid flow channel as shown in FIG. 5, when the number of flow channel grooves provided in each path is gradually reduced, the difference in flow rate depending on the position of the merging portion will be examined.
[比較例2]
図8は、流路溝の本数を上流側から下流側にかけて一定にした場合について、図5に示した各部位におけるそれぞれの流路溝ごとの流量の変化について示した図である。なお、図8および以下に説明する図9〜図11では、図5に示す流路溝AおよびBにおける流量の変化について示した。図8に示すように、流路溝Aと流路溝Bとでは、水平部分(2)、(5)、(8)および(11)においては流量がほぼ同じであるが、折れ曲がり部においては流路溝Aと流路溝Bとを流通する流体流量の差異が大きい。
[Comparative Example 2]
FIG. 8 is a diagram showing a change in flow rate for each flow channel in each part shown in FIG. 5 when the number of flow channels is made constant from the upstream side to the downstream side. In FIG. 8 and FIGS. 9 to 11 described below, the change in the flow rate in the channel grooves A and B shown in FIG. 5 is shown. As shown in FIG. 8, in the flow channel groove A and the flow channel groove B, the flow rates in the horizontal portions (2), (5), (8) and (11) are almost the same, but in the bent portion. The difference in the flow rate of fluid flowing through the flow channel A and the flow channel B is large.
[参考例1]
図9は、図5に示した折り返し部のそれぞれにおいて、流路溝の溝本数を、内周側と外周側とに配置された流路溝において隣り合う流路溝同士を一様に合流させて、溝本数を減少させた場合について示したものである。図9に示すように、流路溝Aと流路溝Bとを流通する流体の流量の差異は、図8と大差なく、依然として大きい。
[Reference Example 1]
9 shows that the number of channel grooves in each of the folded portions shown in FIG. 5 is such that the adjacent channel grooves in the channel grooves arranged on the inner peripheral side and the outer peripheral side are uniformly joined. Thus, the case where the number of grooves is reduced is shown. As shown in FIG. 9, the difference in the flow rate of the fluid flowing through the flow channel groove A and the flow channel groove B is not much different from that in FIG.
[参考例2]
図10は、図5に示した折り返し部のそれぞれにおいて、流路溝の溝本数を、外周側に配置された流路溝において隣り合う流路溝同士を合流させて、内周側については合流させずに溝本数を徐々に減少させた場合について示したものである。図10に示すように、合流部を設けない、図8に示すような構成と比較してさらに大きな流量差が生じてしまう。
[Reference Example 2]
FIG. 10 shows the number of channel grooves in each of the folded portions shown in FIG. 5 by joining adjacent channel grooves in the channel grooves arranged on the outer peripheral side, and joining the inner peripheral side. This is a case where the number of grooves is gradually reduced without making it. As shown in FIG. 10, a larger flow rate difference is generated compared to the configuration shown in FIG.
[実施例2]
図11は、図5に示した折り返し部のそれぞれにおいて、流路溝の溝本数を、内周側に配置された流路溝において隣り合う流路溝同士を合流させて、外周側については合流させずに溝本数を徐々に減少させた場合について示したものである。本構成によれば、流体流路の全体にわたり流量の差異がほとんど生じることなく、面全体にわたり流体の流量をほぼ一様とすることが可能となる。
[Example 2]
FIG. 11 shows the number of channel grooves in each of the folded portions shown in FIG. 5. The adjacent channel grooves in the channel grooves arranged on the inner peripheral side are merged, and the outer circumferential side is merged. This is a case where the number of grooves is gradually reduced without making it. According to this configuration, the flow rate of the fluid can be made substantially uniform over the entire surface with almost no difference in the flow rate over the entire fluid flow path.
図8に示したように、折り返し部に合流部を設けない構成によれば、距離が長くなる外周部側は流体の流通が滞留しがちとなるが、本構成のように内周部に合流部を設け、内周部側の流路溝の本数を減少させることにより敢えて内周側を高圧損とし、外周部側を流通する流体流量を相対的に増加させることにより、内周側と外周側とを流通する流体流量の差異が低減し、または流体流量がほぼ一様となる。 As shown in FIG. 8, according to the configuration in which the merging portion is not provided in the folded portion, the flow of the fluid tends to stay on the outer peripheral portion side where the distance becomes long. However, as in the present configuration, the merging portion joins the inner peripheral portion. The inner circumference side and the outer circumference by reducing the number of flow channel grooves on the inner circumference side and making the inner circumference side high pressure loss and relatively increasing the flow rate of fluid flowing through the outer circumference side. The difference in the flow rate of fluid flowing through the side is reduced, or the fluid flow rate becomes substantially uniform.
なお、各折り返し部に設ける合流部は、例えば図5に示す第1の折り返し部60においては第2の折れ曲がり部(3)側に設けても良く、第3の折れ曲がり部(4)側に設けても良い。また、他の折り返し部においても同様に、折れ曲がり部のどちらに合流部を設けても構わないが、流体流路全体にわたり流量差が極力抑えられるような構成にすることが好ましい。
In addition, the junction part provided in each folding | turning part may be provided in the 2nd bending part (3) side in the 1st folding | turning
このように、複数の流路溝がセパレータ面内で折れ曲がり部を有するとともに、折れ曲がり部には互いに隣接する流路同士が合流する合流部を備える流体流路において、折れ曲がり部の外周部と内周部で合流する流路の本数を異ならせ、特に内周部において流路溝を合流させることにより、流体流路の上流側から下流側にかけて流速を低下させることなく、またセパレータ面内における流体流量の分布を一様にすることが可能となる。 As described above, in the fluid flow path including a plurality of flow path grooves having a bent portion in the separator surface and a merging portion in which the flow paths adjacent to each other merge in the bent portion, the outer peripheral portion and the inner periphery of the bent portion The flow rate in the separator surface can be reduced without decreasing the flow velocity from the upstream side to the downstream side of the fluid flow path by making the number of flow paths that merge at the section different, especially by joining the flow path grooves at the inner periphery. Can be made uniform.
本発明は、一般に流体流路を形成可能なセパレータに限らず、例えば、メタルセパレータを使用した場合における樹脂フレームに形成させる流体流路など、燃料電池におけるあらゆる流体流路の形状に適用することが可能である。 In general, the present invention is not limited to a separator capable of forming a fluid flow path, and can be applied to any fluid flow path shape in a fuel cell, such as a fluid flow path formed in a resin frame when a metal separator is used. Is possible.
10 単位セル、12 電解質膜、14 カソード触媒層、16 アノード触媒層、18 カソード拡散層、20 アノード拡散層、22,122,222 カソード側セパレータ、24 アノード側セパレータ、26,126,226 酸化ガス流路、28 燃料ガス流路、30 セル冷媒流路、31 溝山、31a 先端部、32 酸化ガス供給マニホールド、34 酸化ガス排出マニホールド、50 第1のパス、52 第2のパス、54 第3のパス、56 第4のパス、60 第1の折り返し部、62 第2の折り返し部、64 第3の折り返し部。
10 unit cell, 12 electrolyte membrane, 14 cathode catalyst layer, 16 anode catalyst layer, 18 cathode diffusion layer, 20 anode diffusion layer, 22, 122, 222 cathode side separator, 24 anode side separator, 26, 126, 226
Claims (9)
前記折れ曲がり部の外周部と内周部で合流する流路の本数が異なることを特徴とするセパレータ。 A plurality of flow channel grooves have a bent portion in the separator surface, and the bent portion has a flow channel structure including a merge portion where adjacent flow channels merge with each other,
The separator characterized by the number of the flow paths which merge in the outer peripheral part and inner peripheral part of the said bending part differing.
内周部における流路の合流本数が外周部における流路の合流本数より多いことを特徴とするセパレータ。 The separator according to claim 1,
A separator characterized in that the number of merged channels in the inner peripheral portion is larger than the number of merged channels in the outer circumferential portion.
前記合流部は、前記折れ曲がり部の内周部にのみ有することを特徴とするセパレータ。 The separator according to claim 2,
The said junction part has only in the inner peripheral part of the said bending part, The separator characterized by the above-mentioned.
セパレータ設置時の、セパレータ面内における流体の流通する領域は、水平方向よりも鉛直方向に長いことを特徴とするセパレータ。 While flowing the fluid while reducing the cross-sectional area of the flow path from the upper upstream side to the lower downstream side, the flow path structure has a plurality of bent portions in the separator plane,
The separator is characterized in that the region where the fluid flows in the separator surface when the separator is installed is longer in the vertical direction than in the horizontal direction.
前記流体が、反応ガスであることを特徴とするセパレータ。 The separator according to claim 4,
A separator, wherein the fluid is a reactive gas.
前記流体が、酸化ガスであることを特徴とするセパレータ。 The separator according to claim 4,
The separator is characterized in that the fluid is an oxidizing gas.
前記折れ曲がり部の外周部と内周部で合流する流路の本数が異なることを特徴とする燃料電池。 A plurality of flow channel grooves have a flow channel structure including a bent portion in a plane parallel to the unit cell, and the bent portion includes a merge portion where flow channels adjacent to each other merge.
2. The fuel cell according to claim 1, wherein the number of flow paths that merge at the outer peripheral portion and the inner peripheral portion of the bent portion is different.
前記面内における流体の流通する領域は、単位セル設置時の水平方向よりも鉛直方向に長いことを特徴とする燃料電池。 It has a flow channel structure in which a fluid flows from the upper upstream side to the lower downstream side while reducing the flow channel cross-sectional area, and the plurality of flow channel grooves have a plurality of bent portions in a plane parallel to the unit cell. ,
The region where the fluid flows in the plane is longer in the vertical direction than in the horizontal direction when the unit cell is installed.
前記流体が、反応ガスであることを特徴とする燃料電池。 The fuel cell according to claim 8, wherein
The fuel cell, wherein the fluid is a reactive gas.
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JP2011253670A (en) * | 2010-06-01 | 2011-12-15 | Honda Motor Co Ltd | Fuel cell |
US11060195B2 (en) | 2012-08-14 | 2021-07-13 | Loop Energy Inc. | Reactant flow channels for electrolyzer applications |
US11489175B2 (en) | 2012-08-14 | 2022-11-01 | Loop Energy Inc. | Fuel cell flow channels and flow fields |
JP2019509603A (en) * | 2016-03-22 | 2019-04-04 | ループ エナジー インコーポレイテッド | Design of fuel cell flow field for temperature control |
JP7022073B2 (en) | 2016-03-22 | 2022-02-17 | ループ エナジー インコーポレイテッド | Fuel cell flow field design for temperature control |
US11901591B2 (en) | 2016-03-22 | 2024-02-13 | Loop Energy Inc. | Fuel cell flow field design for thermal management |
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