JP2004253366A - Polymer electrolyte fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、固体高分子膜を電解質として用いる固体高分子型燃料電池に関するものであり、特に、運転状態に応じてセパレータのガス流路の形状を変更する流路変更機構を備えた新規な構造の固体高分子型燃料電池に関する。 The present invention relates to a polymer electrolyte fuel cell using a polymer electrolyte membrane as an electrolyte, and in particular, to a novel structure having a flow path changing mechanism for changing the shape of a gas flow path of a separator according to an operation state. And a polymer electrolyte fuel cell.
燃料電池は、反応ガスである水素等の燃料ガスと空気等の酸化剤ガスを電気化学的に反応させることにより、燃料の持つ化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換するものである。燃料電池は、排気がクリーンであること、高エネルギー効率であること等から、大気汚染や二酸化炭素による地球温暖化の問題等に対処し得る技術として注目されている。 2. Description of the Related Art A fuel cell converts a chemical energy of a fuel directly into an electric energy by electrochemically reacting a fuel gas such as hydrogen as a reaction gas with an oxidizing gas such as air. 2. Description of the Related Art Fuel cells are attracting attention as a technology capable of coping with problems such as air pollution and global warming caused by carbon dioxide because of their clean exhaust gas and high energy efficiency.
燃料電池の燃料極、酸化剤極の両電極において進行する電極反応は、以下の通りである。 The electrode reactions that proceed at both the fuel electrode and the oxidant electrode of the fuel cell are as follows.
燃料極：２Ｈ２→４Ｈ＋＋４ｅ− ・・・（１）
酸化剤極：４Ｈ＋＋４ｅ−＋Ｏ２→２Ｈ２Ｏ ・・・（２）
燃料電池では、燃料極に水素ガスが供給されると、燃料極で（１）式に示す反応が進行して水素イオンが生成する。この生成した水素イオンは、電解質を透過（拡散）して酸化剤極に至る。このとき酸化剤極に酸素含有ガス、例えば空気が供給されていると、酸化剤極では（２）式の反応が進行する。この（１）式、（２）式に示す電極反応が各極で進行することで、燃料電池は起電力を生じることになる。
The fuel electrode: 2H 2 → 4H + + 4e - ··· (1)
Oxidant electrode: 4H + + 4e − + O 2 → 2H 2 O (2)
In a fuel cell, when hydrogen gas is supplied to the fuel electrode, the reaction represented by the equation (1) proceeds at the fuel electrode to generate hydrogen ions. The generated hydrogen ions permeate (diffuse) the electrolyte and reach the oxidant electrode. At this time, when an oxygen-containing gas, for example, air is supplied to the oxidant electrode, the reaction of the formula (2) proceeds at the oxidant electrode. The fuel cell generates an electromotive force as the electrode reactions shown in the equations (1) and (2) proceed at each electrode.
燃料電池は、電解質の違い等により様々なタイプのものに分類されるが、その一つとして、電解質に固体高分子膜を用いる固体高分子型燃料電池が知られている。固体高分子型燃料電池は、低コストで小型化、軽量化が容易であり、しかも高い出力密度を有することから、例えば車両用電源としての用途が期待されている。 Fuel cells are classified into various types according to differences in electrolytes and the like. As one of them, a polymer electrolyte fuel cell using a polymer electrolyte membrane as an electrolyte is known. BACKGROUND ART A polymer electrolyte fuel cell is low in cost, easily reduced in size and weight, and has a high output density, and is therefore expected to be used as, for example, a power source for vehicles.
ただし、この固体高分子型燃料電池においては、水素イオンが電解質である固体高分子膜を移動するために、固体高分子膜が含水した状態であることが必要である。そこで、燃料ガスや酸化剤ガスを加湿して燃料電池に供給する等、電解質として用いる固体高分子膜を積極的に加湿することが広く行われているが、加湿水や反応生成水の量が固体高分子膜の保水量を上回ると、これらが凝縮してガス流路へ水が溢れ出すフラッディングという現象が生ずる。フラッディングは、反応生成水量が多い高電流密度発電時に起こりやすい現象であり、フラッディングが発生すると、電極の発電面を水が覆って反応を抑制し、供給ガス流路を閉塞してガス通流を阻害するといった現象を招き、発電を安定して継続することが困難になる。 However, in this polymer electrolyte fuel cell, in order for hydrogen ions to move through the polymer electrolyte membrane serving as an electrolyte, the polymer electrolyte membrane needs to be in a water-containing state. Therefore, it has been widely practiced to actively humidify the solid polymer membrane used as the electrolyte, for example, by humidifying the fuel gas or oxidizing gas and supplying it to the fuel cell. If the water retention amount of the solid polymer membrane is exceeded, a phenomenon of flooding in which these condense and water overflows into the gas flow path occurs. Flooding is a phenomenon that tends to occur during high current density power generation with a large amount of reaction generated water.When flooding occurs, water covers the power generation surface of the electrode to suppress the reaction, block the supply gas flow path, and block gas flow. This causes a phenomenon such as inhibition, and makes it difficult to stably continue power generation.
以上のようなフラッディングを解消するための技術としては、セパレータに形成されるガス流路の流路形状を櫛形形状とすることが提案されている（例えば、特許文献１や特許文献２参照）。
As a technique for eliminating the flooding as described above, it has been proposed that a gas flow path formed in a separator has a comb shape (for example, see
これら特許文献１や特許文献２に記載される技術では、セパレータに形成されるガス流路において、これまで一般的な流路形状とされていた平行流路形状、すなわち複数の平行流路が反応ガスの入口部と出口部とにおいて互いに連通された形状に代えて、供給側ガス流路と排出側ガス流路が直接連通しないように流路の分離を行った櫛形の流路形状を採用し、供給ガスを強制的にガス拡散層を通流させることによって、生成水を排出しやすくしている。これにより、これまで一般的に採用されていた平行流路形状ではフラッディングが生じていたような生成水量の多い高電流密度発電時においても、フラッディングの発生を有効に抑制して、安定した発電を行うことが可能となる。
しかしながら、セパレータに形成されるガス流路を櫛形形状とした燃料電池では、水分の排出が過度に促進されることによって、電解質として用いられる固体高分子膜の含水量低下を招く場合もある。固体高分子膜の含水量が低下した状態では、電解質の電気抵抗が大きくなって、出力電圧の低下、出力電力の低下を招くことになる。さらに含水量が低下して乾燥状態になると、固体高分子膜が電解質として機能しなくなる場合もある。特に、反応生成水量の少ない低電流密度発電時は、そのような状態に陥りやすくなる。 However, in a fuel cell having a comb-shaped gas flow path formed in the separator, excessive discharge of water may cause a decrease in the water content of a solid polymer membrane used as an electrolyte. In a state where the water content of the solid polymer membrane is reduced, the electric resistance of the electrolyte is increased, which causes a decrease in output voltage and a decrease in output power. Further, when the water content is reduced to a dry state, the solid polymer membrane may not function as an electrolyte in some cases. In particular, at the time of low-current-density power generation with a small amount of reaction product water, such a state is likely to occur.
以上のように、セパレータに形成されるガス流路の流路形状として、複数の平行流路が反応ガスの入口部と出口部とにおいて互いに連通された平行流路形状を採用した場合には、電流密度が低く生成水量の少ない発電状態でも固体高分子膜が乾燥し難い反面、生成水量の多い高電流密度ではフラッディングが発生しやすくなるという問題点がある。一方、セパレータに形成されるガス流路の流路形状として、反応ガスの供給側流路と排出側流路が直接連通しないように流路が分離された櫛形流路形状を採用した場合には、生成水量の多い高電流密度でも安定して発電できる半面、電流密度が低く生成水量の少ない発電状態では固体高分子膜が乾燥しやすくなるという問題点がある。 As described above, when a plurality of parallel flow paths adopt a parallel flow path shape in which a plurality of parallel flow paths are communicated with each other at an inlet portion and an outlet portion of a reaction gas, Although the solid polymer membrane is difficult to dry even in a power generation state where the current density is low and the amount of generated water is small, there is a problem that flooding easily occurs at a high current density where the generated water amount is large. On the other hand, in the case of adopting a comb-shaped flow path shape in which the flow path is separated so that the supply side flow path and the discharge side flow path of the reaction gas are not directly connected to each other, as the flow path shape of the gas flow path formed in the separator. On the other hand, there is a problem that the solid polymer membrane is easily dried in a power generation state where the current density is low and the amount of generated water is small, even though the power generation is stable even at a high current density with a large amount of generated water.
本発明は、このような従来技術の有する問題点を解消することを目的に提案されたものである。すなわち、本発明は、発電状態等の運転状態に応じて最適な流路形状を選択することができ、どのような運転状態であってもフラッディングの発生や高分子電解質膜の乾燥を有効に抑制して、安定して発電することが可能な固体高分子型燃料電池を提供することを目的としている。 The present invention has been proposed for the purpose of solving such a problem of the related art. That is, according to the present invention, it is possible to select an optimum flow path shape according to an operation state such as a power generation state, and effectively suppress occurrence of flooding and drying of the polymer electrolyte membrane in any operation state. Accordingly, it is an object of the present invention to provide a polymer electrolyte fuel cell capable of stably generating power.
本発明の固体高分子型燃料電池は、固体高分子電解質膜を有する複数の発電セルが、この発電セルにガスを供給するためのガス流路が形成されたセパレータを介して積層されてなるものである。このような構成の固体高分子型燃料電池において、本発明では、前記目的を達成するために、運転状態に応じて前記セパレータのガス流路の一部、またはガス流路全体の形状を変更する流路変更機構を有することを特徴としている。 The polymer electrolyte fuel cell according to the present invention is obtained by stacking a plurality of power generation cells having a solid polymer electrolyte membrane via a separator having a gas flow path for supplying gas to the power generation cells. It is. In the polymer electrolyte fuel cell having such a configuration, in the present invention, in order to achieve the above object, a part of the gas flow path of the separator or the shape of the entire gas flow path is changed according to an operation state. It is characterized by having a channel changing mechanism.
本発明の固体高分子型燃料電池では、流路変更機構を作動させることによりセパレータに形成されたガス流路の形状を変更することができ、例えば、複数の平行流路が反応ガスの入口部と出口部とにおいて互いに連通された平行流路形状としたり、反応ガスの供給側流路と排出側流路とを分離した櫛形流路形状とすることができる。したがって、低電流密度発電時には、ガス流路を平行流路形状とすることで、電流密度が低く生成水量の少ない発電状態でも高分子電解質膜の乾燥を抑制できると共に、高電流密度発電時には、ガス流路を櫛形流路形状とすることで、電流密度が高く生成水量の多い発電状態でもフラッディングの発生を抑制することができ、安定した発電が実現される。 In the polymer electrolyte fuel cell according to the present invention, the shape of the gas flow path formed in the separator can be changed by operating the flow path changing mechanism. The flow path may be a parallel flow path communicating with each other at the outlet and the outlet, or a comb-shaped flow path in which a supply-side flow path and a discharge-side flow path of the reaction gas are separated. Therefore, at the time of low current density power generation, by forming the gas flow path into a parallel flow path shape, it is possible to suppress the drying of the polymer electrolyte membrane even in a power generation state where the current density is low and the amount of generated water is small, and at the time of high current density power generation By making the flow path a comb-shaped flow path, flooding can be suppressed even in a power generation state where the current density is high and the amount of generated water is large, and stable power generation is realized.
本発明によれば、発電状態等の運転状態に応じて流路変更機構を作動させることで、セパレータに形成されたガス流路の流路形状を運転状態に応じた最適な流路形状とすることができ、フラッディングの発生や高分子電解質膜の乾燥を有効に抑制することができる。したがって、低電流密度発電時や高電流密度発電時といったようなあらゆる運転状態に対応して、常に安定した発電を実現することが可能である。 According to the present invention, by operating the flow path changing mechanism according to an operation state such as a power generation state, the flow path shape of the gas flow path formed in the separator is set to an optimum flow path shape according to the operation state. Thus, occurrence of flooding and drying of the polymer electrolyte membrane can be effectively suppressed. Therefore, it is possible to always realize stable power generation in response to all operating states such as low current density power generation and high current density power generation.
以下、本発明を適用した固体高分子型燃料電池について、図面を参照して説明する。 Hereinafter, a polymer electrolyte fuel cell to which the present invention is applied will be described with reference to the drawings.
（第１の実施形態）
図１は、固体高分子型燃料電池の一単位である発電セルの構造を示す斜視図である。固体高分子型燃料電池は、この図１に示すような発電セルが多数積層されてなるものである。各発電セルは、固体高分子膜からなる電解質膜１と、この電解質膜１を挟持するように電解質膜１の両面に配設される二つの電極２，３（アノードとカソード）と、これら電極２，３を覆うように配設されるガス拡散層４と、隣接セル間の隔壁をなすセパレータ５とにより構成される。
(1st Embodiment)
FIG. 1 is a perspective view showing the structure of a power generation cell which is one unit of a polymer electrolyte fuel cell. The polymer electrolyte fuel cell is formed by stacking a number of power generation cells as shown in FIG. Each power generation cell includes an
電解質膜１は、例えばフッ素樹脂系イオン交換膜等、イオン（プロトン）伝導性の固体高分子膜からなるものであり、飽和含水することによりイオン伝導性電解質として機能する。
The
この電解質膜１の両面に配設される二つの電極２，３は、白金または、白金とその他の金属からなる触媒を含有するカーボンクロス、またはカーボンペーパーからなり、触媒の存在する面が電解質膜１と接触するように形成されている。
The two
これら電極２，３のうち、アノード（燃料極）では、水素ガスが供給されることで水素イオンと電子に解離し、水素イオンは電解質膜１を通り、電子は外部回路を通って電力を発生させ、カソード（酸化剤極）にそれぞれ移動する。カソード（酸化剤極）では、供給された空気中の酸素と電解質膜１を移動した水素イオン及び電子が反応して水が生成する。
Of these
ガス拡散層４は、ガス拡散効果によってアノードに水素ガス、カソードに空気をそれぞれ供給するものである。 The gas diffusion layer 4 supplies hydrogen gas to the anode and air to the cathode by the gas diffusion effect.
セパレータ５は、セル間の隔壁をなすばかりでなく、集電体としての機能や反応ガス（水素ガスや空気）の流路としての機能も有し、例えばガス不透過である緻密性カーボン材で構成されている。そして、その片面または両面には、水素ガスや空気等の流路を確保するため、多数のリブが形成されている。水素ガスや空気は、セパレータ５にそれぞれ設けられたガス入口から供給され、前記リブによって形成されるガス流路を通ってガス出口から排出される。 The separator 5 not only forms a partition between cells but also has a function as a current collector and a function as a flow path for a reaction gas (hydrogen gas or air), and is made of, for example, a gas-impermeable dense carbon material. It is configured. A large number of ribs are formed on one or both sides to secure a flow path for hydrogen gas, air, and the like. Hydrogen gas and air are supplied from gas inlets provided in the separator 5, respectively, and are discharged from gas outlets through gas passages formed by the ribs.
図２は、前記セパレータ５の概略形状を示す斜視図である。セパレータ５には、複数のリブ６が所定の間隔で平行に配列形成されており、これらリブ６間の凹部が、ガス流路の平行流路部７として機能する。また、セパレータ５の両端部には、前記ガス流路の平行流路部７へのガスの給排を行うためのガス供給マニフォールド８及びガス排出マニフォールド９が、セパレータ５の積層方向に貫通する貫通孔として形成されている。ガス供給マニフォールド８及びガス排出マニフォールド９は、全ての平行流路部７と連通するように、各平行流路部７と直交する方向に細長い貫通孔として形成されている。
FIG. 2 is a perspective view showing a schematic shape of the separator 5. A plurality of
さらに、セパレータ５のガス供給マニフォールド８近傍には、ガス供給側セパレータ可動部１０が、ガス排出マニフォールド９近傍にはガス排出側セパレータ可動部１１が、セパレータ５の本体部分とは別部材としてそれぞれ配置されている。これらガス供給側セパレータ可動部１０やガス排出側セパレータ可動部１１は、前記リブ６や平行流路部７と同じ幅を持った突部１０ａ，１１ａを所定の間隔（ここでは、リブ６や平行流路部７に対して１つおきとなるような間隔）で有する。したがって、これらガス供給側セパレータ可動部１０やガス排出側セパレータ可動部１１を平行流路部７と直交する方向にセパレータ５面上をスライドさせることにより、前記平行流路部７における反応ガスの入口部、あるいは出口部を選択的に塞ぐことができる。
Further, a gas supply-side separator movable section 10 is disposed near the
図３は、図２に示したセパレータ５の平面図であり、平行流路形状、すなわち複数の平行流路部７が反応ガスの入口部と出口部とにおいて互いに連通された形状のガス流路を形成している状態を示すものである。すなわち、ガス供給側セパレータ可動部１０やガス排出側セパレータ可動部１１は、前記突部１０ａ，１１ａがリブ６と一致する位置まで図３中下方にスライドされており、各平行流路部７は、ガス供給マニフォールド８からガス排出マニフォールド９まで直接連通され、平行流路形状のガス流路を構成している。
FIG. 3 is a plan view of the separator 5 shown in FIG. 2 and has a parallel flow path shape, that is, a gas flow path having a shape in which a plurality of parallel flow path portions 7 are connected to each other at an inlet portion and an outlet portion of a reaction gas. Is formed. That is, the gas supply-side separator movable part 10 and the gas discharge-side separator movable part 11 are slid downward in FIG. 3 to a position where the
図３に示した平行流路形状のガス流路では、図４に示すように、反応ガスである水素ガスや空気は、ガス流路の各平行流路部７から、拡散効果により各電極２，３上に形成されたガス拡散層４へ流入し、さらに電解質膜１へ到達して発電反応に寄与する。このような平行流路形状のガス流路では、電解質膜１は乾燥し難いが、ガス拡散層４の空孔内に水滴が滞留しやすく、このような場合には、ガス拡散層４における反応ガスの拡散が阻害されてフラッディングが発生し、発電性能が著しく低下することも懸念される。
In the gas flow path having the parallel flow path shape shown in FIG. 3, as shown in FIG. 4, hydrogen gas or air as a reaction gas flows from each parallel flow path portion 7 of the gas flow path to each
前記ガス供給側セパレータ可動部１０とガス排出側セパレータ可動部１１は、例えば図３に示す位置から上方へと移動操作されることにより、図５に示す状態へと変位することができる。図５では、ガス供給側セパレータ可動部１０とガス排出側セパレータ可動部１１とが図中上方へと移動操作されたことにより、ガス供給側セパレータ可動部１０及びガス排出側セパレータ可動部１１の突部１０ａ，１１ａが、平行流路部７における反応ガスの入口部、出口部を交互に遮る形となっている。これにより、ガス供給マニフォールド８につながる平行流路部７と、ガス排出マニフォールド９につながる平行流路部７とが直接連通しないように、流路が分離された櫛形流路形状のガス流路が形成される。
The gas supply-side separator movable part 10 and the gas discharge-side separator movable part 11 can be displaced to the state shown in FIG. 5 by, for example, being moved upward from the position shown in FIG. In FIG. 5, the gas supply-side separator movable part 10 and the gas discharge-side separator movable part 11 are moved upward in the drawing, thereby causing the gas supply-side separator movable part 10 and the gas discharge-side separator movable part 11 to protrude. The
図５に示した櫛形流路形状のガス流路では、図６に示すように、反応ガスである水素ガスや空気は、移流効果によりガス供給側平行流路部７ａ（ガス供給マニフォールド８につながる平行流路部７）からガス拡散層４へ流入し、ガス拡散層４からガス排出側平行流路部７ｂ（ガス排出マニフォールド９につながる平行流路部７）へと排出される。ガス拡散層４から電解質膜１へは、拡散効果により水素ガスや空気が到達する。このような櫛形流路形状のガス流路では、ガス供給側平行流路部７ａからガス拡散層４を通過しガス排出側平行流路部７ｂへと流れる一連のガス流は移流効果により推進され、この流れはガス拡散層４内に滞留した水滴をガス流と共にガス排出側へ排出する効果を有する。
In the gas flow path having the comb-shaped flow path shape shown in FIG. 5, as shown in FIG. 6, the hydrogen gas and the air as the reaction gas are connected to the gas supply side parallel flow path portion 7a (the gas supply manifold 8) by the advection effect. The gas flows into the gas diffusion layer 4 from the parallel flow passage 7) and is discharged from the gas diffusion layer 4 to the gas discharge side parallel flow passage 7b (the parallel flow passage 7 connected to the gas discharge manifold 9). Hydrogen gas and air reach the
以上のように、平行流路形状のガス流路は、保水性が良いことから低電流密度発電時に効率が良いが、高電流密度時にはフラッディングを起こしやすい。一方、櫛形流路形状のガス流路は、排水性が良いため低電流密度時には膜の乾燥を招きやすいが、高電流密度時にもフラッディングを起こし難く効率が良い。そこで、本実施形態では、例えば固体高分子型燃料電池の発電状態といった各種運転状態に応じて、前記ガス供給側セパレータ可動部１０やガス排出側セパレータ可動部１１を移動させ、ガス流路を運転状態に応じた最適な流路形状とする。 As described above, the gas flow path in the shape of the parallel flow path has good water retention and thus is efficient at the time of low current density power generation, but is likely to cause flooding at the time of high current density. On the other hand, a gas flow path having a comb-shaped flow path has a good drainage property, so that the film is likely to be dried at a low current density, but is less likely to be flooded even at a high current density, and is efficient. Therefore, in the present embodiment, the gas supply side separator movable part 10 and the gas discharge side separator movable part 11 are moved according to various operation states such as a power generation state of the polymer electrolyte fuel cell, and the gas flow path is operated. An optimal flow path shape according to the state is set.
例えば、固体高分子型燃料電池に、その発電状態、具体的にはその電流密度を検出する発電状態検出手段を設置し、この発電状態検出手段による検出結果に応じて、低電流密度発電時には図３に示す平行流路形状を選択し、高電流密度発電時には図５に示す櫛形流路形状を選択する。これにより、低電流密度発電時及び高電流密度発電時の双方において、効率の向上を図ることができる。 For example, a polymer electrolyte fuel cell is provided with power generation state detection means for detecting its power generation state, specifically, its current density, and according to the detection result by this power generation state detection means, the power generation state is detected at low current density power generation. 3 is selected, and at the time of high current density power generation, the comb-shaped flow channel shape shown in FIG. 5 is selected. Thereby, the efficiency can be improved both at the time of low current density power generation and at the time of high current density power generation.
あるいは、固体高分子型燃料電池に、ガス流路を通過する反応ガスの湿度、あるいはガス流路を通過する液体水分の量を検出する水分量検出手段を設置しておき、ガス流路の流路形状を選択する基準として、前記水分量検出手段による検出結果を用いるようにしてもよい。例えば、ガス流路を通過する反応ガスの湿度が高いときや、ガス流路内に多量の液体水分が含まれているときには、排水性の良い櫛形流路形状を選択し、逆に、ガス流路を通過する反応ガスの湿度が低いときや、ガス流路内に液体水分がほとんど含まれないときには、保水性の高い平行流路形状を選択する。これにより、ガス湿潤状態に応じて両流路形状の長所が生かされるように、これらの流路形状が選択的に使用され、高効率発電が可能となる。 Alternatively, the solid polymer electrolyte fuel cell is provided with a moisture detecting means for detecting the humidity of the reaction gas passing through the gas flow path or the amount of liquid moisture passing through the gas flow path, and setting the flow rate of the gas flow path. As a criterion for selecting a road shape, a detection result by the water content detecting means may be used. For example, when the humidity of the reaction gas passing through the gas flow path is high or when a large amount of liquid water is contained in the gas flow path, a comb-shaped flow path with good drainage is selected. When the humidity of the reaction gas passing through the passage is low, or when liquid moisture is hardly contained in the gas passage, a parallel passage shape having high water retention is selected. Thereby, these flow path shapes are selectively used so that the advantages of both flow path shapes can be utilized according to the gas wet state, and high-efficiency power generation can be performed.
以上の構成を有する本実施形態の固体高分子型燃料電池では、ガス流路の流路形状を変更する機構を有することで、その発電状態、内部状態といった運転状態に応じて最適な流路形状を選択することが可能である。具体的には、流路形状として図３に示す平行流路形状と図５に示す櫛形流路形状の何れかを運転状態に応じて選択的に採用することが可能となり、それぞれの特性に応じた流路形状での効率的な発電が可能となる。 The polymer electrolyte fuel cell according to the present embodiment having the above configuration has a mechanism for changing the flow path shape of the gas flow path, so that the optimum flow path shape according to the operation state such as the power generation state and the internal state. It is possible to select Specifically, it becomes possible to selectively adopt either the parallel flow path shape shown in FIG. 3 or the comb-shaped flow path shape shown in FIG. Efficient power generation can be achieved in the shape of the flow path.
また、本実施形態の固体高分子型燃料電池では、その発電状態を検出する発電状態検出手段を設け、ガス流路の流路形状を選択する基準としてその検出結果を用いることで、発電状態に応じた最適な流路形状を的確に選択することが可能である。例えば、低電流密度時は生成水分量が少なく水分排出量を低減することが望ましいので、図３に示したような平行流路形状を選択し、高電流密度発電時は多量の生成水分量に対しフラッディングを起こさないよう水分排出量を増加させることが望ましいので、図５に示したような櫛形流路形状を選択する。これにより、双方の流路形状の長所を選択的に利用することができ、幅広い電流密度域での高効率発電が可能である。 Further, in the polymer electrolyte fuel cell according to the present embodiment, a power generation state detecting means for detecting the power generation state is provided, and the detection result is used as a reference for selecting a flow path shape of the gas flow path. It is possible to accurately select an optimal flow path shape according to the above. For example, when the current density is low, it is desirable to reduce the amount of generated water and reduce the amount of discharged water. Therefore, a parallel flow path shape as shown in FIG. 3 is selected. On the other hand, since it is desirable to increase the amount of discharged water so as not to cause flooding, a comb-shaped flow path shape as shown in FIG. 5 is selected. As a result, the advantages of both flow path shapes can be selectively used, and high-efficiency power generation in a wide current density range is possible.
また、本実施形態の固体高分子型燃料電池では、ガス流路を通過する反応ガスの湿度、あるいはガス流路を通過する液体水分の量を検出する水分量検出手段を設け、ガス流路の流路形状を選択する基準としてその検出結果を用いることで、内部状態に応じた最適な流路形状を的確に選択することが可能である。例えば、流路内反応ガスの湿度が高いときや多量の液体水分が含まれているときには排水性の良い櫛形流路形状を選択し、逆に流路内反応ガスの湿度の低いときや液体水分がほとんど含まれない時には保水性の高い平行流路形状を選択する。これにより、双方の流路形状の長所を選択的に利用することができ、やはり幅広い電流密度域での高効率発電が可能である。 Further, in the polymer electrolyte fuel cell of the present embodiment, provided is a moisture amount detecting means for detecting the humidity of the reaction gas passing through the gas flow path, or the amount of liquid moisture passing through the gas flow path, By using the detection result as a criterion for selecting the flow path shape, it is possible to accurately select an optimum flow path shape according to the internal state. For example, when the humidity of the reaction gas in the flow path is high or when a large amount of liquid moisture is contained, a comb-shaped flow path with good drainage is selected. When almost no is contained, a parallel flow path shape having high water retention is selected. As a result, the advantages of both flow path shapes can be selectively used, and high-efficiency power generation in a wide current density range is also possible.
（第２の実施形態）
本実施形態は、基本構成を上述した第１の実施形態の固体高分子型燃料電池と同様とし、ガス流路の流路形状を変更する機構が、上述した第１の実施形態とは若干異なるものである。以下、本実施形態において特徴的な部分についてのみ説明し、上述した第１の実施形態と同様の部分については、同一の符号を付して詳細な説明を省略する。
(Second embodiment)
In this embodiment, the basic configuration is the same as that of the polymer electrolyte fuel cell of the above-described first embodiment, and the mechanism for changing the shape of the gas flow path is slightly different from that of the above-described first embodiment. Things. Hereinafter, only the characteristic portions of the present embodiment will be described, and the same portions as those of the above-described first embodiment will be denoted by the same reference numerals and detailed description thereof will be omitted.
図７は、本実施形態の固体高分子型燃料電池の要部を分かり易く示したものであり、本実施形態の固体高分子型燃料電池の内部構造を模式的に示す斜視図である。 FIG. 7 is a perspective view schematically illustrating a main part of the polymer electrolyte fuel cell according to the present embodiment, and is a perspective view schematically illustrating an internal structure of the polymer electrolyte fuel cell according to the embodiment.
各発電セルの隔壁となるセパレータ５には、上述したように、その積層方向に沿ってガス供給マニフォールド８及びガス排出マニフォールド９が貫通形成されているが、本実施形態では、各セパレータ５のガス供給マニフォールド８に、各セパレータ５間に亘って一体の供給側マニフォールド可動部材２１が挿入され、また、各セパレータ５のガス排出マニフォールド９に、各セパレータ５間に亘って一体の排出側マニフォールド可動部材２２が挿入されている。これら可動部材２１，２２には、各セパレータと対応した位置にそれぞれ貫通孔２３，２４が設けられており、反応ガスは供給側マニフォールド可動部材２１に設けられた貫通孔２３を通過して平行流路部７へと導入され、排出側マニフォールド可動部材２２に設けられた貫通孔２４を通過してガス排出マニフォールド９へと排出されるようになっている。
As described above, the
図８は、本実施形態の固体高分子型燃料電池における一枚のセパレータ５を取り出して見た平面図である。供給側マニフォールド可動部材２１や排出側マニフォールド可動部材２２は、貫通孔２３，２４間の仕切部２５，２６がリブ６と一致する位置までスライドされ、各平行流路部７は、ガス供給マニフォールド８からガス排出マニフォールド９まで直接連通され、平行流路形状のガス流路を構成している。
FIG. 8 is a plan view showing one separator 5 taken out of the polymer electrolyte fuel cell according to the present embodiment. The supply-side manifold movable member 21 and the discharge-side manifold movable member 22 are slid to positions where the
前記供給側マニフォールド可動部材２１や排出側マニフォールド可動部材２２は、例えば、供給側マニフォールド可動部材２１が図８中上方へ移動操作され、排出側マニフォールド可動部材２２が図８中下方へ移動操作されることにより、図９に示された状態へと変位することができる。図９では、前記供給側マニフォールド可動部材２１や排出側マニフォールド可動部材２２がそれぞれ移動操作されたことにより、貫通孔２３，２４間の仕切部２５，２６が、平行流路部７における反応ガスの入口部、出口部を交互に遮る形となっている。これにより、ガス供給マニフォールド８につながる平行流路部７と、ガス排出マニフォールド９につながる平行流路部７とが直接連通しないように、流路が分離された櫛形流路形状のガス流路が形成される。
For the supply-side manifold movable member 21 and the discharge-side manifold movable member 22, for example, the supply-side manifold movable member 21 is moved upward in FIG. 8, and the discharge-side manifold movable member 22 is moved downward in FIG. Thereby, it can be displaced to the state shown in FIG. In FIG. 9, when the supply-side manifold movable member 21 and the discharge-side manifold movable member 22 are respectively operated to move, the
本実施形態によれば、各セパレータ５のガス供給マニフォールド８に挿入された供給側マニフォールド可動部材２１、ガス排出マニフォールド９に挿入された排出側マニフォールド可動部材２２をそれぞれ移動操作することによって、先の第１の実施形態と同様に、ガス流路の流路形状の変更を実現することができる。したがって、本実施形態の固体高分子型燃料電池においても、その発電状態や内部状態といった運転状態に応じて、ガス流路の流路形状として最適な形状を選択することが可能であり、それぞれの特性に応じた流路形状での効率的な発電が可能である。
According to the present embodiment, the supply-side manifold movable member 21 inserted into the
また、本実施形態では、各セパレータ５間に亘って一体に挿入された供給側マニフォールド可動部材２１及び排出側マニフォールド可動部材２２を移動操作することで、各セパレータ５のガス流路の流路形状を一度に変更することができるので、構造の簡素化及び操作の簡便化を実現することができる。 Further, in this embodiment, the supply-side manifold movable member 21 and the discharge-side manifold movable member 22 which are integrally inserted between the separators 5 are moved to operate, so that the gas flow paths of the separators 5 are formed. Can be changed at once, so that the structure can be simplified and the operation can be simplified.
なお、供給側マニフォールド可動部材２１や排出側マニフォールド可動部材２２は、必ずしも単一の部材で実現する必要はなく、各発電セル毎、或いは二つ以上の発電セルの集合体毎に各々個別の供給側マニフォールド可動部材２１や排出側マニフォールド可動部材２２を配設し、これら個別に配設された各供給側マニフォールド可動部材２１や各排出側マニフォールド可動部材２２をそれぞれ移動操作することで、それに対応するセパレータ５のガス流路の流路形状を変更するようにしてもよい。 Note that the supply-side manifold movable member 21 and the discharge-side manifold movable member 22 do not necessarily need to be realized by a single member, and are individually supplied to each power generation cell or to an aggregate of two or more power generation cells. The side manifold movable member 21 and the discharge side manifold movable member 22 are provided, and the individually provided supply side manifold movable member 21 and each discharge side manifold movable member 22 are moved and operated to correspond thereto. The shape of the gas flow path of the separator 5 may be changed.
（第３の実施形態）
本実施形態は、基本構成を上述した第１，第２の実施形態の固体高分子型燃料電池と同様とし、ガス流路の流路形状を変更する機構が、上述した第１，第２の実施形態とは若干異なるものである。以下、本実施形態において特徴的な部分についてのみ説明し、上述した第１，第２の実施形態と同様の部分については、同一の符号を付して詳細な説明を省略する。
(Third embodiment)
In the present embodiment, the basic configuration is the same as the polymer electrolyte fuel cells of the first and second embodiments described above, and the mechanism for changing the shape of the gas flow path is the same as the first and second embodiments described above. This is slightly different from the embodiment. Hereinafter, only the characteristic portions of the present embodiment will be described, and the same portions as those of the above-described first and second embodiments will be denoted by the same reference numerals and detailed description thereof will be omitted.
図１０は、本実施形態の固体高分子型燃料電池に用いられるセパレータ５の平面図である。本実施形態においても、セパレータ５には、平行流路部７への反応ガスの給排を行うためのガス供給マニフォールド８及びガス排出マニフォールド９が貫通形成されている。そして、複数の平行流路部７のうち、１つおきに配置された平行流路部７の一方には、ガス供給マニフォールド８近傍に位置してガス供給側変形部材３１が配置され、他方には、ガス排出マニフォールド９近傍に位置してガス排出側変形部材３２が配置されている。
FIG. 10 is a plan view of the separator 5 used in the polymer electrolyte fuel cell according to the present embodiment. Also in this embodiment, a
これらガス供給側変形部材３１及びガス排出側変形部材３２は、液体水分を吸収すると膨張変形する材料よりなり、非変形時には流路面が平滑となるように、平行流路部７の下方に埋設されている。すなわち、平行流路部７内を通過する反応ガスが液体水分を含まない場合には、図１１（ａ）に示すように、変形部材３１，３２は、その上面が平行流路部７の底面と同一面をなし、反応ガスの流れを阻害しない。したがって、この状態では平行流路形状のガス流路が形成されることになる。 The gas supply-side deformable member 31 and the gas discharge-side deformable member 32 are made of a material that expands and deforms when absorbing liquid moisture, and is buried below the parallel flow path portion 7 so that the flow path surface is smooth when not deformed. ing. That is, when the reaction gas passing through the inside of the parallel flow path portion 7 does not contain liquid moisture, as shown in FIG. And does not hinder the flow of the reaction gas. Therefore, in this state, a gas flow path having a parallel flow path shape is formed.
一方、平行流路部７内を通過する反応ガスが液体水分を含む場合には、図１１（ｂ）に示すように、変形部材３１，３２がその液体水分を吸収して膨張変形し、平行流路部７が塞がれて反応ガスの流れが妨げられることとなる。なお、図１１（ａ）及び図１１（ｂ）においては、ガス供給側変形部材３１についてのみ図示しているが、ガス排出側変形部材３２についても同様である。 On the other hand, when the reaction gas passing through the inside of the parallel flow path 7 contains liquid moisture, as shown in FIG. 11B, the deformable members 31 and 32 absorb the liquid moisture, expand and deform, and The flow path 7 is blocked, and the flow of the reaction gas is hindered. 11 (a) and 11 (b) show only the gas supply-side deformable member 31, but the same applies to the gas discharge-side deformable member 32.
以上のように変形部材３１，３２が液体水分を吸収して膨張変形する結果、平行流路部７は、反応ガスの入口部、出口部において交互に遮られ、櫛形流路形状のガス流路が形成されることとなる。なお、変形部材３１，３２には、液体水分ではなく反応ガスの湿度に応じて膨張変形する材料を用いてもよく、この場合にも上述した例と同様に、反応ガスの湿度に応じてガス流路の形状を変更することが可能となる。 As described above, as a result of the deformable members 31 and 32 absorbing the liquid moisture and expanding and deforming, the parallel flow path portions 7 are alternately blocked at the inlet and outlet portions of the reaction gas, so that the gas flow path having a comb-shaped flow path shape is formed. Is formed. The deformable members 31 and 32 may be made of a material that expands and deforms in accordance with the humidity of the reaction gas instead of the liquid moisture. In this case, as in the above-described example, the gas is expanded in accordance with the humidity of the reaction gas. The shape of the flow path can be changed.
本実施形態によれば、セパレータ５の平行流路部７に設けられる変形部材３１，３２によって、上述した第１，第２の実施形態と同様に、ガス流路の流路形状の変更を実現することができる。したがって、本実施形態の固体高分子型燃料電池においても、その発電状態や内部状態といった運転状態に応じて、ガス流路の流路形状として最適な形状を選択することが可能であり、それぞれの特性に応じた流路形状での効率的な発電が可能である。 According to this embodiment, the shape of the gas flow path is changed by the deformable members 31 and 32 provided in the parallel flow path section 7 of the separator 5 in the same manner as in the first and second embodiments. can do. Therefore, also in the polymer electrolyte fuel cell according to the present embodiment, it is possible to select an optimal shape as the flow path shape of the gas flow path in accordance with an operation state such as a power generation state or an internal state. Efficient power generation is possible with the flow path shape according to the characteristics.
また、本実施形態では、可動部材を移動操作するといったような特別な操作を行うことなくガス流路の流路形状変更を実現できるので、操作性の観点から極めて有効である。 Further, in the present embodiment, the flow path shape of the gas flow path can be changed without performing a special operation such as moving operation of the movable member, which is extremely effective from the viewpoint of operability.
（第４の実施形態）
本実施形態は、発電停止時に実行されるパージ動作の際に、本発明を適用した固体高分子型燃料電池の各セパレータ５のガス流路を最適な流路形状とすることで、パージ動作を効率良く行えるようにしたものである。
(Fourth embodiment)
In the present embodiment, the purge operation is performed by making the gas flow path of each separator 5 of the polymer electrolyte fuel cell to which the present invention is applied into an optimal flow path shape at the time of the purge operation performed when the power generation is stopped. It is intended to be performed efficiently.
固体高分子型燃料電池の発電停止時には、通常、配管内や燃料電池内部に残留した水分等を排出する目的で、窒素等の不活性ガス或いは反応ガス（以下、パージガスという。）を所定時間供給するパージ動作が行われる。このようなパージ動作を行う際に、固体高分子型燃料電池の各セパレータ５のガス流路が図３及び図４に示した平行流路形状とされていると、固体高分子型燃料電池に導入されるパージガスの殆どがガス供給マニフォールド８から平行流路部７を通ってガス排出マニフォールド９へとそのまま流れることになるため、特に、ガス拡散層４や電極２，３を構成するカーボン担体に存在する液体水分の排出を水蒸気の拡散のみに頼ることとなり、排出に長時間を要し且つ効率が悪いという問題が生じる。
When the power generation of the polymer electrolyte fuel cell is stopped, an inert gas such as nitrogen or a reactive gas (hereinafter, referred to as a purge gas) is usually supplied for a predetermined time in order to discharge moisture or the like remaining in the piping or the fuel cell. A purging operation is performed. When performing such a purging operation, if the gas flow paths of the respective separators 5 of the polymer electrolyte fuel cell have the parallel flow path shapes shown in FIGS. Most of the introduced purge gas flows from the
そこで、本実施形態では、発電停止時にパージ動作を実行する際に、固体高分子型燃料電池の各セパレータ５のガス流路が平行流路形状とされている場合には、上述した各実施形態で説明した流路形状変更機構、すなわち、ガス供給側セパレータ可動部１０及びガス排出側セパレータ可動部１１、供給側マニフォールド可動部材２１及び排出側マニフォールド可動部材２２、ガス供給側変形部材３１及びガス排出側変形部材３２等を作動させることによって、各セパレータ５のガス流路を図５及び図６に示した櫛形流路形状に変更するようにしている。 Therefore, in the present embodiment, when the purge operation is performed when the power generation is stopped, if the gas flow path of each separator 5 of the polymer electrolyte fuel cell has a parallel flow path shape, That is, the flow path shape changing mechanism described in the above, that is, the gas supply-side separator movable part 10 and the gas discharge-side separator movable part 11, the supply-side manifold movable member 21, the discharge-side manifold movable member 22, the gas supply-side deformable member 31, and the gas discharge By operating the side deformation member 32 and the like, the gas flow path of each separator 5 is changed to the comb-shaped flow path shape shown in FIGS.
これにより、固体高分子型燃料電池に導入されるパージガスがガス拡散層４へと流入することになり、このパージガスの流れで、ガス拡散層４に存在する液体水分を液体状態のまま効率良く排出することが可能となる。なお、電極２，３を構成するカーボン担体に存在している水分については、各セパレータ５のガス流路を櫛形流路形状とした場合であっても、水蒸気の拡散によって排出させる必要があるが、櫛形流路形状を選択した場合には、ガス拡散層４内をパージガスが対流によって流れていることから、平行流路形状を選択した場合に比べて、対流領域からカーボン担体までの距離が短く、その分、拡散による水分除去効率も向上することとなる。
Thus, the purge gas introduced into the polymer electrolyte fuel cell flows into the gas diffusion layer 4, and the flow of the purge gas efficiently discharges the liquid water present in the gas diffusion layer 4 in a liquid state. It is possible to do. It should be noted that the water present in the carbon carrier constituting the
以上のようなパージ効率向上の効果は、発電停止時に水分が凍結する環境に放置される可能性のある移動体用燃料電池システムの燃料電池として本発明の固体高分子型燃料電池を採用した場合に、特に有効である。すなわち、ガス拡散層４やカーボン担体といった多孔質体に水分が残留した状態で氷点下環境に放置されると、水分が凍結し、再始動時に反応ガスが電極（アノード及びカソード）２，３へ供給されなくなるといった問題が生じる可能性がある。また、最悪の場合には、凍結した水分が膨張して、ガス拡散層４や電極２，３を構成するカーボン担体を構造的に破壊してしまうことも考えられる。これを防ぐためには水分をなるべく効率よく除去する必要があるが、本実施形態のようにセパレータ５のガス流路を櫛形流路形状としてパージ動作を実行することにより、効率のよい水分の除去を実現することが可能となる。
The effect of improving the purge efficiency as described above is due to the case where the polymer electrolyte fuel cell of the present invention is used as a fuel cell of a fuel cell system for a mobile body which may be left in an environment where moisture is frozen when power generation is stopped. It is particularly effective. That is, when the porous body such as the gas diffusion layer 4 and the carbon carrier is left in a sub-zero temperature environment with water remaining, the water is frozen and the reaction gas is supplied to the electrodes (anode and cathode) 2 and 3 at restart. There is a possibility that a problem that it will not be performed. Further, in the worst case, it is conceivable that the frozen moisture expands and structurally destroys the carbon carrier constituting the gas diffusion layer 4 and the
（第５の実施形態）
本実施形態は、上述したパージ動作時におけるガス流路選択の他例であり、各セパレータ５のガス流路を上述した平行流路形状とした状態でのパージガス供給と、櫛形流路形状とした状態でのパージガス供給とを順次行うことによって、パージ動作による水分除去をさらに効率良く行えるようにしたものである。
(Fifth embodiment)
The present embodiment is another example of the gas flow path selection at the time of the above-described purge operation. The purge gas supply in a state where the gas flow path of each separator 5 has the above-described parallel flow path shape, and the comb-shaped flow path shape. By sequentially performing the supply of the purge gas in the state, the water removal by the purge operation can be more efficiently performed.
一般に、ガス供給側平行流路部７ａ（ガス供給マニフォールド８につながる平行流路部７）とガス排出側平行流路部７ｂ（ガス排出マニフォールド９につながる平行流路部７）とが連通しない櫛形流路形状では、ガス供給側平行流路部７ａの行止り部に液体水分が滞留して、この滞留した液体水分が除去されにくくなるという傾向にある。そして、このようにガス供給側平行流路部７ａの行止り部に液体水分が滞留している場合、その領域には反応ガスが供給されにくいため、発電効率が著しく低下することになる。また、発電停止時のパージ動作においても、液体水分が滞留している領域近傍にはパージガスが供給されず、ガス拡散層４や電極２，３を構成するカーボン担体に残留した水分が除去されにくい。このような状態で固体高分子型燃料電池が氷点下環境に放置されると、上述した第４の実施形態で説明したように、ガス拡散層４や電極２，３を構成するカーボン担体に構造破壊が生じる可能性がある。そこで、本実施形態では、パージ動作の途中で流路形状変更機構を作動させ、平行流路形状でのパージガス供給と櫛形流路形状でのパージガス供給とを順次行うことにより、さらに効率的なパージ動作を行えるようにしている。
Generally, a comb shape in which the gas supply side parallel flow path 7a (the parallel flow path 7 connected to the gas supply manifold 8) and the gas discharge side parallel flow path 7b (the parallel flow path 7 connected to the gas discharge manifold 9) do not communicate with each other. In the flow channel shape, the liquid moisture tends to stay at the dead end of the gas supply side parallel flow channel portion 7a, and the staying liquid moisture tends to be difficult to remove. When the liquid moisture stays at the dead end of the gas supply side parallel flow path 7a, the reaction gas is difficult to be supplied to that region, so that the power generation efficiency is significantly reduced. Also, even in the purge operation at the time of stopping power generation, the purge gas is not supplied to the vicinity of the region where the liquid moisture stays, and it is difficult to remove the moisture remaining in the carbon carrier constituting the gas diffusion layer 4 and the
ここで、本実施形態におけるパージ動作の手順について、図１２のフローチャートを参照して簡単に説明する。なお、ここでは、各セパレータ５のガス流路が平行流路形状とされている状態で固体高分子型燃料電池の発電が停止された場合を例に挙げて説明する。 Here, the procedure of the purge operation in the present embodiment will be briefly described with reference to the flowchart of FIG. Here, an example will be described in which the power generation of the polymer electrolyte fuel cell is stopped in a state where the gas flow path of each separator 5 has a parallel flow path shape.
先ず、固体高分子型燃料電池の発電が停止すると（ステップＳ１）、各セパレータ５のガス流路が平行流路形状とされている状態で、パージガスの供給が開始される（ステップＳ２）。この平行流路形状でのパージガスの供給は第１の所定時間が経過するまで行われ、このパージ動作によって平行流路部７に滞留している水分が除去される。なお、第１の所定時間は、平行流路部７に滞留する水分量の傾向やパージガスの流量等に応じて、平行流路部７に滞留している水分を確実に除去できる時間を、実験等によって求めて予め設定しておくようにすればよい。 First, when the power generation of the polymer electrolyte fuel cell is stopped (Step S1), the supply of the purge gas is started in a state where the gas flow paths of the respective separators 5 are formed in a parallel flow path shape (Step S2). The supply of the purge gas in the parallel flow path shape is performed until the first predetermined time elapses, and the moisture remaining in the parallel flow path section 7 is removed by this purge operation. The first predetermined time is determined based on the time during which the water remaining in the parallel flow path 7 can be reliably removed in accordance with the tendency of the amount of water remaining in the parallel flow path 7 and the flow rate of the purge gas. It may be determined in advance and set in advance.
第１の所定時間が経過すると（ステップＳ３）、次に、流路形状変更機構を作動させて、各セパレータ５のガス流路を平行流路形状から櫛形流路形状へと変更する（ステップＳ４）。そして、各セパレータ５のガス流路が櫛形流路形状とされている状態でパージガスを供給する（ステップＳ５）。この櫛形流路形状でのパージガスの供給は第２の所定時間が経過するまで行われ、このパージ動作によってガス拡散層４や電極２，３を構成するカーボン担体に強制的にパージガスを流すことで、これらガス拡散層４や電極２，３を構成するカーボン担体に残留した水分が除去される。なお、第２の所定時間は、ガス拡散層４や電極２，３を構成するカーボン担体に残留する水分量の傾向やパージガスの流量等に応じて、ガス拡散層４や電極２，３を構成するカーボン担体に残留した水分を確実に除去できる時間を、実験等によって求めて予め設定しておくようにすればよい。
After the first predetermined time has elapsed (step S3), the channel shape changing mechanism is operated to change the gas flow channel of each separator 5 from the parallel channel shape to the comb channel shape (step S4). ). Then, a purge gas is supplied in a state where the gas flow path of each separator 5 has a comb-shaped flow path shape (step S5). The supply of the purge gas in the shape of the comb-shaped flow path is performed until the second predetermined time elapses, and the purge operation is performed by forcibly flowing the purge gas through the carbon carrier constituting the gas diffusion layer 4 and the
そして、第２の所定時間が経過した段階で（ステップＳ６）、パージガスの供給が停止され、一連のパージ動作が終了する。以上のように、平行流路形状でのパージ動作と櫛形流路形状でのパージ動作とを順次行うことにより、効率的に短時間で水分除去を行うことができる。 Then, when the second predetermined time has elapsed (step S6), the supply of the purge gas is stopped, and a series of purge operations ends. As described above, by sequentially performing the purging operation in the parallel channel shape and the purging operation in the comb channel shape, it is possible to efficiently remove water in a short time.
なお、以上は、平行流路形状でのパージ動作を行った後に櫛形流路形状でのパージ動作を行うようにした例について説明したが、これとは逆に、櫛形流路形状でのパージ動作を行った後に平行流路形状でのパージ動作を行うようにしてもよく、また、流路形状の変更を複数回行って、平行流路形状でのパージ動作と櫛形流路形状でのパージ動作とを交互に繰り返し行うようにしてもよい。 In the above description, an example is described in which the purging operation is performed in the comb-shaped flow path shape after the purging operation is performed in the parallel flow path shape. On the contrary, the purging operation is performed in the comb-shaped flow path shape. After performing the purging operation in the parallel channel shape, the purging operation in the parallel channel shape and the purging operation in the comb channel shape may be performed by changing the channel shape a plurality of times. May be alternately repeated.
（第６の実施形態）
本実施形態は、櫛形流路形状での発電中に、各セパレータ５のガス流路の流路形状を所定のタイミング（間隔）で櫛形流路形状から平行流路形状に変更して、滞留水分を除去するようにしたものである。
(Sixth embodiment)
In the present embodiment, during power generation in the comb-shaped flow path shape, the flow path shape of the gas flow path of each separator 5 is changed from the comb-shaped flow path shape to the parallel flow path shape at a predetermined timing (interval), and the accumulated water Is to be removed.
すなわち、第５の実施形態で説明したように、櫛形流路形状ではガス供給側平行流路部７ａの行止り部に液体水分が滞留する傾向にあり、このような問題は、発電停止時にパージ動作を行う場合に限らず、固体高分子型燃料電池の発電時においても考慮することが望ましい。 That is, as described in the fifth embodiment, in the case of the comb-shaped flow channel shape, the liquid moisture tends to stay in the stop portion of the gas supply side parallel flow channel portion 7a. It is desirable to consider not only the operation but also the power generation of the polymer electrolyte fuel cell.
そこで、本実施形態では、各セパレータ５のガス流路が櫛形流路形状とされた状態で固体高分子型燃料電池の発電が行われているときに、所定のタイミング（間隔）で流路形状変更機構を作動させて、各セパレータ５のガス流路を櫛形流路形状から平行流路形状へと変更するようにしている。これにより、平行流路部７に滞留している水分を効果的に除去することができ、発電効率の低下を抑制して安定的な発電を行うことが可能となる。なお、流路形状変更機構を作動させるタイミングは、予め実験等によって、櫛形流路形状での発電時における水分滞留の影響が現れるまでの時間を求めておき、そのような影響が現れる以前の時間に設定すればよい。 Therefore, in the present embodiment, when power generation of the polymer electrolyte fuel cell is performed in a state where the gas flow path of each separator 5 is in a comb-shaped flow path shape, the flow path shape is determined at a predetermined timing (interval). By operating the changing mechanism, the gas flow path of each separator 5 is changed from the comb-shaped flow path shape to the parallel flow path shape. Thereby, the water staying in the parallel flow path 7 can be effectively removed, and a decrease in power generation efficiency can be suppressed and stable power generation can be performed. The timing for operating the flow path shape changing mechanism is determined in advance by an experiment or the like to determine the time until the effect of moisture retention during power generation in the comb-shaped flow path shape appears, and the time before such an effect appears. Should be set to.
（第７の実施形態）
本実施形態は、発電開始前に実行される起動動作の際に、本発明を適用した固体高分子型燃料電池の各セパレータ５のガス流路を櫛形流路形状とすることで、カソード側の電極を構成するカーボン担体の腐食を効果的に抑制できるようにしたものである。
(Seventh embodiment)
In the present embodiment, at the time of the start-up operation performed before the start of power generation, the gas flow path of each separator 5 of the polymer electrolyte fuel cell to which the present invention is applied is formed in a comb-shaped flow path, so that the cathode side It is intended to effectively suppress corrosion of the carbon carrier constituting the electrode.
本発明の固体高分子型燃料電池を例えば自動車等の移動体の動力源として活用する場合には、起動や停止が頻繁に繰り返し行われることになる。燃料電池の停止中においては、当然のことながら燃料極（アノード）、酸化剤極（カソード）ともに、供給すべき反応ガス（水素ガス及び空気）の供給を停止した状態で放置されることになる。また、発電停止時においては、上述したようなパージ動作で燃料極に残留する水素ガスを強制的に排気したり、反応ガスの供給を停止した状態で残留ガスを反応させて消費するなどの対応が図られるが、何れの場合においても長時間の停止中には燃料極にも大気が侵入し、燃料極中に酸素（空気）がある状態で放置されている。 When the polymer electrolyte fuel cell of the present invention is used as a power source of a moving body such as an automobile, for example, startup and shutdown are frequently repeated. Naturally, when the fuel cell is stopped, both the fuel electrode (anode) and the oxidant electrode (cathode) are left with the supply of the reaction gas (hydrogen gas and air) to be supplied stopped. . In addition, when the power generation is stopped, the hydrogen gas remaining on the fuel electrode is forcibly exhausted by the purge operation as described above, or the residual gas is consumed by reacting the remaining gas while the supply of the reaction gas is stopped. However, in any case, during a long stop, the air enters the fuel electrode and is left in a state where oxygen (air) is present in the fuel electrode.
この状態、すなわち、燃料極、酸化剤極ともに空気が混入した状態から燃料電池システムを起動させる場合において、燃料極側のガス流路に水素ガスを供給し始めた初期の期間においては、燃料極側ガス流路、酸化剤極側ガス流路は一般的に図１３に示すような状態にさらされることになる。なお、図１３は、反応ガスの供給開始直後における発電セル内の様子を模式的に示す図であり、反応ガスの供給方向と直交する方向から見た発電セルの断面図である。 In this state, that is, when the fuel cell system is started from a state in which air is mixed in both the fuel electrode and the oxidant electrode, in the initial period in which hydrogen gas is started to be supplied to the gas flow path on the fuel electrode side, the fuel electrode The side gas flow path and the oxidant electrode side gas flow path are generally exposed to the state shown in FIG. FIG. 13 is a diagram schematically showing the state inside the power generation cell immediately after the start of the supply of the reaction gas, and is a cross-sectional view of the power generation cell viewed from a direction orthogonal to the supply direction of the reaction gas.
この図１３に示すような状態では、燃料極側に水素ガスが供給されている領域においては通常の動作状態と同様の反応が起こり、酸化剤極で水が生成されるが、燃料極側の水素ガスと空気との界面（以下、水素／空気フロントと呼ぶ。）を境に燃料極側の空気存在領域に対向する酸化剤極においては、下記式（３）で示す反応が起こることで、酸化剤極である電極３を構成するカーボン担体の腐食が起こる。そして、このような腐食により電極３が大きく劣化し、その後の燃料電池の性能を低下させる要因となる。 In the state shown in FIG. 13, in the region where hydrogen gas is supplied to the fuel electrode side, a reaction similar to that in a normal operation state occurs, and water is generated at the oxidant electrode. At the oxidant electrode facing the air-existing region on the fuel electrode side with respect to the interface between the hydrogen gas and air (hereinafter, referred to as hydrogen / air front), a reaction represented by the following formula (3) occurs. Corrosion of the carbon carrier constituting the electrode 3, which is an oxidant electrode, occurs. Then, the electrode 3 is greatly deteriorated due to such corrosion, which is a factor for reducing the performance of the fuel cell thereafter.
Ｃ＋２Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋４Ｈ＋＋４ｅ− ・・・（３）
以上のような現象に起因する酸化剤極の劣化を防止するためには、発電開始前に燃料極側に水素ガスを所定時間供給する起動動作を行って、燃料極側の水素／空気フロントを短時間（例えば１秒以下）でガス流路中を通過させることが有効である。
C + 2H 2 O → CO 2 + 4H + + 4e - ··· (3)
In order to prevent the deterioration of the oxidant electrode due to the above-mentioned phenomena, a start-up operation of supplying hydrogen gas to the fuel electrode side for a predetermined time before the start of power generation is performed, and the hydrogen / air front on the fuel electrode side is removed. It is effective to allow the gas to pass through the gas flow path in a short time (for example, 1 second or less).
しかしながら、以上のような起動動作を行って燃料極側に水素ガスを供給し、燃料極側のガス流路を水素ガスで充満させた場合であっても、図１４に示すように燃料極側に隣接するガス拡散層４に未だ空気が残存した状態であると、この残存空気が拡散によって除去されるまで、上述したカーボン腐食メカニズムが発生して、酸化剤極である電極３の劣化を招くことになる。なお、図１４は、起動動作を行った直後における発電セル内の様子を模式的に示す図であり、反応ガスの供給方向に沿った方向から見た発電セルの断面図である。 However, even when the starting operation as described above is performed to supply hydrogen gas to the fuel electrode side and the gas flow path on the fuel electrode side is filled with hydrogen gas, as shown in FIG. If air still remains in the gas diffusion layer 4 adjacent to the electrode, the above-described carbon corrosion mechanism occurs until the remaining air is removed by diffusion, which causes deterioration of the electrode 3 which is an oxidant electrode. Will be. FIG. 14 is a diagram schematically showing a state inside the power generation cell immediately after the start-up operation is performed, and is a cross-sectional view of the power generation cell as viewed from a direction along a reaction gas supply direction.
そこで、本実施形態では、発電開始前の起動動作を行う際に、固体高分子型燃料電池の各セパレータ５のガス流路が平行流路形状とされている場合には、流路形状変更機構を作動させて各セパレータ５のガス流路を櫛形流路形状に変更し、櫛形流路形状で起動動作を行ってガス拡散層４内に水素ガスを積極的に流入させることで、この水素ガスの流れでガス拡散層４内に残存する空気を早急に除去して、上述したようなカーボン担体の腐食を抑制するようにしている。 Therefore, in the present embodiment, when performing the start-up operation before the start of power generation, if the gas flow path of each separator 5 of the polymer electrolyte fuel cell has a parallel flow path shape, the flow path shape changing mechanism is used. Is operated to change the gas flow path of each separator 5 to a comb-shaped flow path shape, and a starting operation is performed in the comb-shaped flow path form to positively flow hydrogen gas into the gas diffusion layer 4, whereby the hydrogen gas The air remaining in the gas diffusion layer 4 is immediately removed by the flow of the gas to suppress the corrosion of the carbon carrier as described above.
ここで、本実施形態における起動動作の手順について、図１５のフローチャートを参照して簡単に説明する。なお、ここでは、各セパレータ５のガス流路が平行流路形状とされている状態で固体高分子型燃料電池の発電が停止された場合を例に挙げて説明する。 Here, the procedure of the startup operation in the present embodiment will be briefly described with reference to the flowchart in FIG. Here, an example will be described in which the power generation of the polymer electrolyte fuel cell is stopped in a state where the gas flow path of each separator 5 has a parallel flow path shape.
起動動作を行う際には、先ず、各セパレータ５のガス流路が平行流路形状とされている状態であれば、流路形状変更機構を作動させて、各セパレータ５のガス流路を平行流路形状から櫛形流路形状へと変更する（ステップＳ１１）。そして、各セパレータ５のガス流路が櫛形流路形状とされている状態で、燃料極側への水素ガス（燃料ガス）の供給が開始される（ステップＳ１２）。この燃料極側への水素ガスの供給は予め設定された所定時間が経過するまで行われ、この櫛形流路形状での水素ガスの供給によって、燃料極側のガス拡散層４内に残存した空気が効果的に除去されることになる。 When performing the start-up operation, first, if the gas flow path of each separator 5 is in a parallel flow path shape, the flow path shape changing mechanism is actuated to make the gas flow path of each separator 5 parallel. The channel shape is changed to a comb-shaped channel shape (step S11). Then, supply of hydrogen gas (fuel gas) to the fuel electrode side is started in a state where the gas flow path of each separator 5 has a comb-shaped flow path shape (step S12). The supply of the hydrogen gas to the fuel electrode side is performed until a predetermined time elapses, and the supply of the hydrogen gas in the comb-shaped channel shape causes the air remaining in the gas diffusion layer 4 on the fuel electrode side to be supplied. Is effectively removed.
水素ガスの供給開始から所定時間が経過すると（ステップＳ１３）、水素ガスの供給が一時停止され（ステップＳ１４）、その後、実際に発電を行う際の運転条件に応じて、平行流路形状と櫛形流路形状のどちらの流路形状が最適であるかが判定される（ステップＳ１５）。このとき、各セパレータのガス流路は櫛形流路形状とされているので、平行流路形状が最適であると判定された場合には（ステップＳ１６）、流路形状変更機構を作動させて、各セパレータ５のガス流路を櫛形流路形状から平行流路形状へと変更した上で（ステップＳ１７）、固体高分子型燃料電池での発電を開始させる（ステップＳ１８）。一方、櫛形流路形状が最適であると判定された場合には、流路形状を変更させることなく発電開始に移行する。 When a predetermined time elapses from the start of the supply of the hydrogen gas (step S13), the supply of the hydrogen gas is temporarily stopped (step S14), and then, depending on the operating conditions when the power is actually generated, the parallel flow path shape and the comb shape are used. It is determined which of the flow path shapes is optimal (step S15). At this time, since the gas flow path of each separator has a comb-shaped flow path shape, if it is determined that the parallel flow path shape is optimal (step S16), the flow path shape changing mechanism is operated by After changing the gas flow path of each separator 5 from the comb-shaped flow path shape to the parallel flow path shape (step S17), power generation in the polymer electrolyte fuel cell is started (step S18). On the other hand, when it is determined that the comb-shaped channel shape is optimal, the process shifts to the start of power generation without changing the channel shape.
以上のように、本実施形態では、発電開始前の起動動作を行う際に、各セパレータのガス流路を櫛形流路形状とした状態で燃料極側に水素ガスを供給するようにしているので、燃料極側のガス拡散層４内の残存空気を強制的な対流過程によって素速く排出することができる。したがって、残存空気によるカーボン担体の腐食を効果的に抑制して、固体高分子型燃料電池の耐久性向上を図ることが可能となる。 As described above, in the present embodiment, when performing the start-up operation before starting the power generation, the hydrogen gas is supplied to the fuel electrode side in a state where the gas flow path of each separator is in a comb-shaped flow path shape. The residual air in the gas diffusion layer 4 on the fuel electrode side can be quickly discharged by the forced convection process. Therefore, it is possible to effectively suppress the corrosion of the carbon carrier due to the residual air and improve the durability of the polymer electrolyte fuel cell.
１ 電解質膜
２，３ 電極
４ ガス拡散層
５ セパレータ
７ ガス流路
８ ガス供給マニフォールド
９ ガス排出マニフォールド
１０ ガス供給側セパレータ可動部
１１ ガス排出側セパレータ可動部
２１ 供給側マニフォールド可動部材
２２ 排出側マニフォールド可動部材
３１，３２ 変形部材
REFERENCE SIGNS
Claims (12)
運転状態に応じて前記セパレータに形成されたガス流路の一部、またはガス流路全体の形状を変更する流路変更機構を有することを特徴とする固体高分子型燃料電池。 A plurality of power generation cells having a solid polymer electrolyte membrane, a solid polymer fuel cell that is stacked via a separator formed with a gas flow path for supplying a reaction gas to the power generation cell,
A polymer electrolyte fuel cell, comprising: a channel changing mechanism for changing a shape of a part of a gas channel formed in the separator or an entire gas channel according to an operation state.
前記流路変更機構は、前記平行流路における反応ガスの入口部のみ、あるいは出口部のみをそれぞれ選択的に開閉することを特徴とする請求項１に記載の固体高分子型燃料電池。 In the separator, as the gas flow path, a plurality of parallel flow paths that are communicated with each other at an inlet portion and an outlet portion of the reaction gas are formed,
2. The polymer electrolyte fuel cell according to claim 1, wherein the flow path changing mechanism selectively opens and closes only an inlet portion or an outlet portion of the reaction gas in the parallel flow channel. 3.
前記流路変更機構として、前記ガス供給マニフォールドと前記ガス排出マニフォールドとの少なくとも何れか一方に移動可能に配設された可動部材を有し、この可動部材の移動によって前記ガス流路の流路形状が変更されることを特徴とする請求項１に記載の固体高分子型燃料電池。 In the separator, a gas supply manifold for supplying a reaction gas to the gas flow path and a gas discharge manifold for discharging the reaction gas from the gas flow path are formed so as to penetrate along the stacking direction,
The passage changing mechanism includes a movable member movably disposed on at least one of the gas supply manifold and the gas discharge manifold, and the movement of the movable member causes the passage shape of the gas passage to be changed. The polymer electrolyte fuel cell according to claim 1, wherein is changed.
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