JP2007329009A - Solid polymer electrolyte fuel cell - Google Patents

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洋史 仲
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洋 知沢
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a solid polymer fuel cell capable of securing compactness and reliability while maintaining a humidified state of an electrolyte membrane. <P>SOLUTION: By installing a first reaction gas flow passage 2 and a second reaction gas flow passage 3 on the surface of a separator 1, the solid polymer fuel cell is constituted so that the reaction gas supplied to both reaction gas flow passages will form counterflows adjacent to each other on the separator surface in the same pole. By arranging and installing humidified regions 10a, 10b made of a porous body at inlet parts 5a, 5b of the first reaction gas flow passage 2 and the second gas flow passage 3 while arranging and installing the humidified regions 10a, 10b made of the porous body at outlet parts 6a, 6b, the solid polymer fuel cell is constituted so that the humidified region 10a and a moisture absorbing region 11 will come into contact with each other, and moreover, by arranging so that the moisture absorbing region 11a and the humidified region 10b will come into contact with each other, the solid polymer fuel cell is constituted so that the exchange of water will be carried out between the humidified region 10 and the moisture absorbing region 11. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、固体高分子型燃料電池に係り、特にガス加湿方法に改良を施した固体高分子型燃料電池に関するものである。   The present invention relates to a polymer electrolyte fuel cell, and more particularly to a polymer electrolyte fuel cell in which a gas humidification method is improved.

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、電解質に固体高分子電解質膜を用いた固体高分子型燃料電池は、低温動作性や高出力密度等の特徴から、一般家庭用を視野に入れた小型コージェネレーションシステムや電気自動車用の動力源としての用途に適しており、今後、市場規模が急激に拡大することが予想されている。   Fuel cells are classified into various types depending on the difference in electrolytes, etc., but solid polymer fuel cells using a solid polymer electrolyte membrane as the electrolyte are generally used because of their low temperature operability and high output density. It is suitable for small cogeneration systems for household use and as a power source for electric vehicles, and the market size is expected to expand rapidly in the future.

この固体高分子型燃料電池は、一般家庭用の定置用小型コージェネレーションシステムを例にとると、都市ガスやＬＰＧ等に代表される炭化水素系燃料から水素含有ガスを製造する改質装置、改質装置で製造された水素含有ガスと大気中の空気を燃料極および酸化剤極にそれぞれ供給して起電力を発生させる燃料電池スタック、燃料電池スタックで発生した電気エネルギーを外部負荷に供給する電気制御装置、および発電に伴う発熱を回収する熱利用系で構成されている。   This solid polymer fuel cell is a reforming device that produces hydrogen-containing gas from hydrocarbon-based fuels typified by city gas, LPG, and the like, taking a small cogeneration system for stationary household use as an example. The fuel cell stack that generates electromotive force by supplying the hydrogen-containing gas and air in the atmosphere produced by the gas generator to the fuel electrode and the oxidant electrode, and the electricity that supplies the electric energy generated by the fuel cell stack to the external load It is composed of a control device and a heat utilization system that recovers heat generated by power generation.

このように、燃料電池発電システムの運転には燃料の投入が前提となるため、燃料投入量に対する発電量で定義される発電効率が高いほど、燃料使用量の削減が実現でき、ユーザーメリットが高くなる。したがって、発電効率が燃料電池発電システムの性能を示す指標となっている。   In this way, fuel operation is premised on the operation of the fuel cell power generation system. Therefore, the higher the power generation efficiency defined by the amount of power generated relative to the amount of fuel input, the lower the amount of fuel used and the higher the user merit. Become. Therefore, the power generation efficiency is an index indicating the performance of the fuel cell power generation system.

このような燃料電池発電システムにおいて、実際に発電機能を担っている燃料電池スタックには、運転に伴う様々な要因により経時的に電圧が低下し、結果として発電効率が低下するという問題点がある。そのため、燃料電池スタックの経時的な電圧低下を抑制することやそれを回復させることが、発電効率の高い燃料電池発電システムを提供する上で、最も重要なポイントとなっている。   In such a fuel cell power generation system, the fuel cell stack that is actually responsible for the power generation function has a problem that the voltage decreases with time due to various factors associated with operation, resulting in a decrease in power generation efficiency. . Therefore, it is the most important point in providing a fuel cell power generation system with high power generation efficiency to suppress or recover the voltage drop of the fuel cell stack over time.

すなわち、燃料電池発電システムの燃料電池スタックにおいては、固体高分子電解質膜の特性を良好な状態に維持するために、その発電原理上、電解質膜の乾燥を防止し、一定の加湿状態を維持しつつ運転を続ける必要がある。この加湿方式を大きく分けると、燃料電池スタックの外部から加湿を行う外部加湿方式と、内部から加湿を行う内部加湿方式とがある。なお、前記内部加湿方式は、燃料電池スタックの外部に加湿器を配置する必要がないため、取り扱いやコンパクト性に優れているという利点がある。   That is, in the fuel cell stack of the fuel cell power generation system, in order to maintain the characteristics of the solid polymer electrolyte membrane in a good state, the power generation principle prevents the electrolyte membrane from being dried and maintains a constant humidified state. However, it is necessary to continue driving. This humidification method is roughly divided into an external humidification method in which humidification is performed from the outside of the fuel cell stack and an internal humidification method in which humidification is performed from the inside. The internal humidification method has an advantage of excellent handling and compactness because it is not necessary to arrange a humidifier outside the fuel cell stack.

このような加湿方式については、従来から種々の提案がなされている。例えば、特許文献１には、燃料極の加湿が不足がちとなるために、多量に水分が発生する酸化剤極から絶縁透過膜などを通して燃料極へ水分を補給する方式が示されている。また、特許文献２には、酸化剤極及び燃料極のそれぞれに反応ガスを供給する反応ガス供給路を有する多孔質板の背面側に加湿流路面を設け、この多孔質板を積層方向に配置し、各々の極で発生した水分を、前記多孔質板を介して反応ガスに供給する方式が示されている。
特開２００２−２５５８４号公報 特開２００４−２７３１６０号公報 Various proposals have been made on such humidification methods. For example, Patent Document 1 discloses a method in which moisture is replenished from an oxidizer electrode that generates a large amount of moisture to the fuel electrode through an insulating permeable membrane or the like because humidification of the fuel electrode tends to be insufficient. Further, in Patent Document 2, a humidifying flow path surface is provided on the back side of a porous plate having a reaction gas supply path for supplying a reaction gas to each of the oxidant electrode and the fuel electrode, and the porous plate is arranged in the stacking direction. In addition, a system is shown in which moisture generated at each pole is supplied to the reaction gas via the porous plate.
JP 2002-25584 A JP 2004-273160 A

しかしながら、特許文献１に示された加湿方式では、加湿のために酸化剤極と燃料極との間で湿分のやりとりがあるために、ガスクロスリークが発生する危険性があった。また、特許文献２に示された加湿方式では、反応ガス供給路を有する多孔質板の背面側に加湿流路面を設け、この多孔質板を積層方向に配置しているため、積層方向の寸法が大幅に増大し、コンパクトな構成を実現することが困難であるという問題点があった。   However, in the humidification method disclosed in Patent Document 1, there is a risk that gas cross-leak occurs because moisture is exchanged between the oxidant electrode and the fuel electrode for humidification. Moreover, in the humidification system shown in Patent Document 2, a humidification flow path surface is provided on the back side of the porous plate having the reaction gas supply path, and the porous plate is arranged in the stacking direction. There is a problem that it is difficult to realize a compact configuration.

本発明は、上述したような従来技術の問題点を解消するために提案されたものであり、その目的は、電解質膜の加湿状態を維持しながら、コンパクト性と信頼性とを確保することができる固体高分子型燃料電池を提供することにある。   The present invention has been proposed to solve the above-described problems of the prior art, and its purpose is to ensure compactness and reliability while maintaining the humidified state of the electrolyte membrane. An object of the present invention is to provide a polymer electrolyte fuel cell that can be used.

上記の目的を達成するため、本発明は、燃料電池における発電反応が、燃料極から得られたプロトン（Ｈ+）が固体高分子膜を介して酸化剤極へ移動し、酸化剤極においてそのプロトンと酸素とが化合することで水が生成されるという特徴に鑑みてなされたものである。すなわち、この化学反応の原理上、各電極において、反応ガスの入口部分にはドライなガスが供給されても、反応ガスの出口部分では湿分の高いガスが排出されるという点に着目してなされたものである。 In order to achieve the above object, the present invention provides a power generation reaction in a fuel cell in which protons (H + ) obtained from a fuel electrode move to an oxidant electrode through a solid polymer membrane, and the oxidant electrode It was made in view of the feature that water is produced by combining protons and oxygen. That is, paying attention to the principle of this chemical reaction, in each electrode, even if dry gas is supplied to the inlet portion of the reactive gas, high moisture gas is discharged from the outlet portion of the reactive gas. It was made.

すなわち、請求項１に記載の発明は、電解質を挟んで配置した燃料極と酸化剤極とを有し、前記燃料極の燃料ガス入口部から反応前の燃料ガスを供給し、燃料ガス出口部から反応後の燃料ガスが排出され、前記酸化剤極の酸化剤ガス入口部から反応前の酸化剤ガスを供給し、酸化剤ガス出口部から反応後の酸化剤ガスが排出されるように構成された固体高分子型燃料電池において、前記燃料極の燃料ガス入口部に加湿領域を設けると共に、燃料ガス出口部に吸湿領域を設け、前記加湿領域と吸湿領域とが互いに接触するように配設し、前記吸湿領域に保持された水分が前記加湿領域へ移動できるように構成したことを特徴とするものである。   That is, the invention described in claim 1 has a fuel electrode and an oxidant electrode arranged with an electrolyte interposed therebetween, and supplies fuel gas before reaction from a fuel gas inlet portion of the fuel electrode, and a fuel gas outlet portion. The fuel gas after the reaction is discharged from the oxidant gas, the oxidant gas before the reaction is supplied from the oxidant gas inlet of the oxidant electrode, and the oxidant gas after the reaction is discharged from the oxidant gas outlet. In the polymer electrolyte fuel cell thus formed, a humidification region is provided at the fuel gas inlet of the fuel electrode, and a moisture absorption region is provided at the fuel gas outlet, and the humidification region and the moisture absorption region are arranged to contact each other. In addition, the moisture retained in the moisture absorption region can be moved to the humidification region.

上記の構成を有する請求項１に記載の発明によれば、燃料ガス入口部に供給される燃料ガスの加湿が不足がちとなる燃料極において、発電反応によって生成される水分を燃料ガス出口部に設けた吸湿領域に保持し、保持された水分を、この吸湿領域に接触して配設された加湿領域に適宜移動させることにより、燃料ガスの加湿を効率良く実施することができる。   According to the first aspect of the present invention having the above-described configuration, moisture generated by the power generation reaction is supplied to the fuel gas outlet at the fuel electrode where the humidification of the fuel gas supplied to the fuel gas inlet tends to be insufficient. It is possible to efficiently perform humidification of the fuel gas by holding in the provided moisture absorption region and appropriately moving the held moisture to the humidification region disposed in contact with the moisture absorption region.

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の固体高分子型燃料電池において、前記酸化剤極の酸化剤ガス入口部に加湿領域を設けると共に、酸化剤ガス出口部に吸湿領域を設け、前記加湿領域と吸湿領域とが互いに接触するように配設し、前記吸湿領域に保持された水分が前記加湿領域へ移動できるように構成したことを特徴とするものである。   According to a second aspect of the present invention, in the polymer electrolyte fuel cell according to the first aspect, a humidifying region is provided at an oxidant gas inlet of the oxidant electrode, and a hygroscopic region is provided at an oxidant gas outlet. The humidification region and the moisture absorption region are arranged so as to contact each other, and the moisture held in the moisture absorption region can be moved to the humidification region.

上記の構成を有する請求項２に記載の発明によれば、燃料極だけでなく、酸化剤極においても、発電反応によって生成される水分を酸化剤ガス出口部に設けた吸湿領域に保持し、保持された水分を、この吸湿領域に接触して配設された加湿領域に適宜移動させることにより、酸化剤ガスの加湿を効率良く実施することができる。   According to the invention described in claim 2 having the above-described configuration, the moisture generated by the power generation reaction is held not only in the fuel electrode but also in the oxidant electrode in the moisture absorption region provided in the oxidant gas outlet, By appropriately moving the retained moisture to the humidification region disposed in contact with the moisture absorption region, humidification of the oxidant gas can be performed efficiently.

請求項３及び請求項４に記載の発明は、加湿領域と吸湿領域とを互いに接触するように配設するための具体的な手段を規定したものであり、請求項５に記載の発明は、加湿領域と吸湿領域の構成部材を規定したものである。また、請求項６に記載の発明は、加湿領域と吸湿領域の接触部に水透過層を配設することにより、ガスは通さないが、水は通すことができるので、ショートパスの発生を確実に防ぐことができる。   The invention described in claim 3 and claim 4 defines specific means for disposing the humidification region and the moisture absorption region in contact with each other, and the invention described in claim 5 The constituent members of the humidification region and the moisture absorption region are defined. Further, in the invention according to claim 6, by disposing the water permeable layer at the contact portion between the humidifying region and the moisture absorbing region, gas can be passed but water can be passed, so that a short path is surely generated. Can be prevented.

以上のような本発明によれば、電解質膜の加湿状態を維持しながら、コンパクト性と信頼性とを確保することができる固体高分子型燃料電池を提供することができる。   According to the present invention as described above, it is possible to provide a polymer electrolyte fuel cell capable of ensuring compactness and reliability while maintaining the humidified state of the electrolyte membrane.

以下、本発明に係る固体高分子型燃料電池を適用した実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。   Hereinafter, embodiments to which a polymer electrolyte fuel cell according to the present invention is applied will be described in detail with reference to the drawings.

（１）第１実施形態
（１−１）構成
本実施形態においては、図１に示すように、燃料極及び酸化剤極のそれぞれに反応ガスを供給するための反応ガス流路が形成されるセパレータ１の表面に、図中左方向から反応ガスを供給する第１の反応ガス流路２と、図中右方向から反応ガスを供給する第２の反応ガス流路３とが設けられ、両反応ガス流路に供給される反応ガスが、同一極内のセパレータ表面において隣接する対向流となるように構成されている。なお、前記第１の反応ガス流路２と第２の反応ガス流路３との間は、反応ガス流路の凸部からなる隔壁４によって仕切られている。 (1) Configuration of the First Embodiment (1-1) In the present embodiment, as shown in FIG. 1, a reaction gas flow path for supplying a reaction gas to each of the fuel electrode and the oxidant electrode is formed. On the surface of the separator 1, there are provided a first reaction gas channel 2 for supplying a reaction gas from the left direction in the figure and a second reaction gas channel 3 for supplying a reaction gas from the right direction in the figure. The reaction gas supplied to the reaction gas channel is configured to be adjacent to the counter flow on the separator surface in the same electrode. Note that the first reaction gas channel 2 and the second reaction gas channel 3 are partitioned by a partition wall 4 formed by a convex portion of the reaction gas channel.

また、前記第１の反応ガス流路２及び第２の反応ガス流路３の入口部５ａ、５ｂには、両反応ガス流路に供給されるドライなガスを加湿するための多孔質体からなる加湿領域１０ａ、１０ｂがそれぞれ配置されると共に、出口部６ａ、６ｂには、発電反応により生成した水分を捕集するための多孔質体からなる吸湿領域１１ａ、１１ｂがそれぞれ配置されている。   Further, the inlet portions 5a and 5b of the first reaction gas channel 2 and the second reaction gas channel 3 are made of a porous body for humidifying the dry gas supplied to both the reaction gas channels. The humidifying regions 10a and 10b are arranged, and the outlets 6a and 6b are respectively arranged with moisture absorbing regions 11a and 11b made of a porous body for collecting moisture generated by the power generation reaction.

そして、図１のＡ部に示すように、第１の反応ガス流路２の入口部５ａに配置された加湿領域１０ａと、第２の反応ガス流路３の出口部６ｂに配置された吸湿領域１１ｂとが互いに接触するように隣接して配置され、両者間で水分のやりとりが行われるように構成されている。同様に、図１のＢ部に示すように、第１の反応ガス流路２の出口部６ａに配置された吸湿領域１１ａと、第２の反応ガス流路３の入口部５ｂに配置された加湿領域１０ｂとが互いに接触するように隣接して配置され、両者間で水分のやりとりが行われるように構成されている。   And as shown to the A section of FIG. 1, the moisture absorption area | region 10a arrange | positioned at the inlet part 5a of the 1st reaction gas flow path 2, and the moisture absorption arrange | positioned at the exit part 6b of the 2nd reaction gas flow path 3 It arrange | positions adjacent so that the area | region 11b may mutually contact, and it is comprised so that a water | moisture content may be exchanged between both. Similarly, as shown in part B of FIG. 1, the moisture absorption region 11 a disposed at the outlet 6 a of the first reaction gas channel 2 and the inlet 5 b of the second reaction gas channel 3 are disposed. It arrange | positions adjacent so that the humidification area | region 10b may mutually contact, and it is comprised so that a water | moisture content may be exchanged between both.

このように、セパレータ１に反応ガス流路を形成する際に、図中左側端部に配置された加湿領域１０ａと吸湿領域１１ｂ、また、図中右側端部に配置された吸湿領域１１ａと加湿領域１０ｂとが互いに接触するように隣接して配置することにより、多孔質体特有の毛細管現象により、多孔質体に保持された水は、その水分量が過剰な領域から乾燥した領域へ移動して平衡状態となる特性を持っているため、吸湿領域１１ａ、１１ｂにおいて保持された水分は、吸湿領域１１ａ→加湿領域１０ｂ、また、吸湿領域１１ｂ→加湿領域１０ａに移動し、入口部５ａ、５ｂに供給されたドライガスは、加湿領域１０ａ、１０ｂを通過する際に加湿される。   As described above, when the reaction gas flow path is formed in the separator 1, the humidification region 10a and the moisture absorption region 11b disposed at the left end portion in the drawing, and the moisture absorption region 11a and the humidification region disposed at the right end portion in the drawing are illustrated. By arranging the regions 10b adjacent to each other so that they are in contact with each other, the water retained in the porous body moves from the region where the amount of water is excessive to the dried region due to the capillary action peculiar to the porous body. Therefore, the moisture held in the moisture absorption regions 11a and 11b moves from the moisture absorption region 11a to the humidification region 10b and from the moisture absorption region 11b to the humidification region 10a, and the inlet portions 5a and 5b. The dry gas supplied to is humidified when passing through the humidification regions 10a and 10b.

なお、前記加湿領域１０及び吸湿領域１１は共に多孔質体により構成することが好ましいが、これに限らず、その構成部材に親水性を持たせる等の処理をして、多孔質体と同等の機能を得ることができれば、必ずしも多孔質体である必要はない。また、前記加湿領域１０と吸湿領域１１は、機能こそ異なるが、水の吸収蒸発の原理上、同一の材料から構成しても良いことは言うまでもない。   The humidifying region 10 and the moisture absorbing region 11 are both preferably composed of a porous body. However, the present invention is not limited to this, and processing such as imparting hydrophilicity to the constituent members is performed, so that it is equivalent to the porous body. If the function can be obtained, the porous body is not necessarily required. The humidifying region 10 and the moisture absorbing region 11 are different in function, but it is needless to say that they may be composed of the same material on the principle of water absorption evaporation.

なお、図１に示した本実施形態においては、反応ガス入口部５ａ、５ｂと反応ガス出口部６ａ、６ｂとが２箇所ずつあるので、加湿領域１０と吸湿領域１１も２箇所ずつ各流路に配置されている。   In the present embodiment shown in FIG. 1, since there are two reaction gas inlet portions 5a and 5b and two reaction gas outlet portions 6a and 6b, each of the humidification region 10 and the moisture absorption region 11 has two flow paths. Is arranged.

（１−２）作用
次に、上記のような構成を有する固体高分子型燃料電池における吸加湿サイクルのメカニズムについて説明する。 (1-2) Operation Next, the mechanism of the moisture absorption and humidification cycle in the polymer electrolyte fuel cell having the above-described configuration will be described.

通常、燃料電池発電中においては、発電による水の生成と反応ガス供給によるドライガス供給とが同時に行われる。このため、反応ガス流路の出口側に配置された吸湿領域１１においては、発電によって生成された水は、吸湿領域１１を構成する多孔質体内に吸湿され保持される。一方、反応ガス流路の入口側に配置された加湿領域１０においては、多孔質体の特性で湿分を保持する特性はあるものの、ドライガスの供給部分となるために、湿度の平衡状態を維持しようとして、水分の蒸発が行われ易い環境となっている。   Usually, during fuel cell power generation, water generation by power generation and dry gas supply by reaction gas supply are performed simultaneously. For this reason, in the moisture absorption area | region 11 arrange | positioned at the exit side of a reactive gas flow path, the water produced | generated by electric power generation is absorbed and hold | maintained in the porous body which comprises the moisture absorption area | region 11. FIG. On the other hand, in the humidification region 10 arranged on the inlet side of the reaction gas flow path, although there is a characteristic of retaining moisture due to the characteristic of the porous body, in order to become a dry gas supply portion, In an attempt to maintain it, the environment tends to evaporate moisture.

本実施形態においては、各電極に隣接して配置されるセパレータに形成される反応ガス流路を、その反応ガス流路に供給される反応ガスが、同一極内のセパレータ表面において、隣接する対向流として供給されるように構成することにより、発電により生成された水が、反応ガス出口側に配置された吸湿領域１１によって捕集される。   In the present embodiment, the reaction gas flow path formed in the separator disposed adjacent to each electrode is disposed opposite to the reaction gas supplied to the reaction gas flow path on the separator surface in the same electrode. By being configured to be supplied as a flow, water generated by power generation is collected by the moisture absorption region 11 arranged on the reaction gas outlet side.

特に、本実施形態においては、吸湿領域１１と加湿領域１０とは多孔質体で形成され、それらが互いに接触するように隣接して配置されているため、多孔質体特有の毛細管現象により、吸湿領域１０において保持された水分は、水分が過剰な領域から乾燥した領域へ移動し、平衡状態となる特性を持っている。   In particular, in the present embodiment, the moisture absorption region 11 and the humidification region 10 are formed of a porous body and are disposed adjacent to each other so that they are in contact with each other. Moisture retained in the region 10 has a characteristic of moving from a region where moisture is excessive to a dry region to reach an equilibrium state.

すなわち、反応ガス入口部に設置される加湿領域１０においては、発電中はドライガスが常時供給されるために、加湿領域１０から常時水分が蒸発してドライガスを加湿する。このようなドライガスの加湿処理に伴って、加湿領域１０は乾燥気味になるが、この乾燥状態により、隣接する吸湿領域１１に保持された水分が加湿領域１０に移動し、加湿領域１０に水分が補給される。すなわち、吸湿領域１１での吸湿、吸湿領域１１から加湿領域１０への水分移動、加湿領域１０でのドライガスの加湿という吸加湿サイクルが成立する。   That is, in the humidification area | region 10 installed in a reaction gas inlet part, since dry gas is always supplied during electric power generation, a moisture always evaporates from the humidification area | region 10 and humidifies dry gas. With such a humidification process of the dry gas, the humidified area 10 becomes dry, but due to this dry state, the moisture retained in the adjacent moisture absorbing area 11 moves to the humidified area 10, and the humidified area 10 receives moisture. Is replenished. In other words, a moisture absorption / humidification cycle is established such as moisture absorption in the moisture absorption region 11, moisture transfer from the moisture absorption region 11 to the humidification region 10, and humidification of dry gas in the humidification region 10.

（１−３）効果
このように、本実施形態によれば、燃料極或いは酸化剤極のうち少なくとも一方の反応ガスの入口部及び出口部に、多孔質体から成る加湿領域１０と吸湿領域１１を配置し、両者を互いに隣接させて水分の移動を可能とするというシンプルな構成とすることにより、反応ガス出口部分の吸湿によるフラディングを解消することができる。また、反応ガス入口部分においては、供給されるドライガスを効率良く加湿することができるので、電解質膜の乾燥を防止することができ、湿分保持に有効である。 (1-3) Effect As described above, according to the present embodiment, the humidified region 10 and the hygroscopic region 11 made of a porous material are provided at the inlet portion and the outlet portion of at least one reaction gas of the fuel electrode or the oxidant electrode. By placing the two adjacent to each other so that moisture can be moved, flooding due to moisture absorption at the reaction gas outlet portion can be eliminated. In addition, since the supplied dry gas can be efficiently humidified at the reaction gas inlet, it is possible to prevent the electrolyte membrane from being dried, which is effective for retaining moisture.

また、吸湿領域１１と加湿領域１０を構成する多孔質体に満たされる水分のために、面方向における入口と出口とのガス遮断性能が維持されるので、いわゆるウエットシールが形成され、優れたガスシール性を得ることができる。   In addition, because of the moisture filled in the porous body constituting the moisture absorption region 11 and the humidification region 10, the gas barrier performance between the inlet and the outlet in the surface direction is maintained, so that a so-called wet seal is formed and an excellent gas Sealability can be obtained.

（２）第２実施形態
本実施形態は、急激な負荷上昇によるガス流量の増加や経時的な特性劣化によるガス流量の増加によって、第１の反応ガス流路２と第２の反応ガス流路３との間の差圧が上昇することによりシール性が損なわれる場合、あるいは、長期間の停止中において、水分そのものが蒸発することによりシール性が損なわれる場合に、反応ガスが隣接部分で面内をショートパスし、発電を妨げるおそれがあることに鑑みてなされたものである。すなわち、ショートパスを未然に防ぐことを目的としている。 (2) Second Embodiment In this embodiment, the first reaction gas channel 2 and the second reaction gas channel are increased by increasing the gas flow rate due to a sudden load increase or increasing the gas flow rate due to deterioration of characteristics over time. When the sealing performance is impaired due to an increase in the differential pressure between the two, or when the sealing performance is impaired due to evaporation of moisture itself during a long-term stoppage, This was made in view of the possibility of short-passing the inside and hindering power generation. That is, it aims at preventing a short path in advance.

（２−１）構成
本実施形態は、上記第１実施形態の変形例であって、図２に示すように、前記第１の反応ガス流路２と第２の反応ガス流路３との間に、ガスは通さないが水は透過することができる水透過層２０が配置されている。その他の構成は、上記第１実施形態と同様であるので、説明は省略する。 (2-1) Configuration The present embodiment is a modification of the first embodiment, and includes a first reaction gas channel 2 and a second reaction gas channel 3 as shown in FIG. A water permeable layer 20 that does not allow gas to pass therethrough but can permeate water is disposed therebetween. Since other configurations are the same as those of the first embodiment, description thereof will be omitted.

（２−２）作用・効果
上記の構成を有する本実施形態においては、第１の反応ガス流路２と第２の反応ガス流路３との間に水透過層２０を配置することにより、加湿領域１０と吸湿領域１１が隣接する部分において、ガスは通さないが、水は通すことができるので、前記第１実施形態と同様の作用・効果が得られるだけでなく、ショートパスの発生を確実に防ぐことができる。 (2-2) Action / Effect In the present embodiment having the above-described configuration, by disposing the water permeable layer 20 between the first reaction gas channel 2 and the second reaction gas channel 3, In the portion where the humidification region 10 and the moisture absorption region 11 are adjacent, gas does not pass but water can pass. Therefore, not only the operation and effect similar to those of the first embodiment can be obtained, but also a short path can be generated. It can be surely prevented.

（３）第３実施形態
上記第１実施形態及び第２実施形態においては、反応ガスの供給口がセパレータの左右両側に設けられているため、吸湿領域１１および加湿領域１０がそれぞれ２箇所必要となる。本実施形態においては、反応ガス流路をリターンフローとすることにより、吸湿領域１１および加湿領域１０をそれぞれ１箇所としたものである。 (3) Third Embodiment In the first and second embodiments described above, the reaction gas supply ports are provided on both the left and right sides of the separator, so two moisture absorption regions 11 and two humidification regions 10 are required. Become. In the present embodiment, each of the moisture absorption region 11 and the humidification region 10 is made one by using the reaction gas flow path as a return flow.

（３−１）構成
本実施形態は、上記第１実施形態及び第２実施形態の変形例であって、図３に示すように、第１の反応ガス流路２と第２の反応ガス流路３がリターン部３０により接続され、反応ガスの入口部５及び出口部６がそれぞれ１箇所とされ、それに伴い、吸湿領域１１および加湿領域１０もそれぞれ１箇所ずつとされている。なお、吸湿領域１１および加湿領域１０は互いに隣接するように配置され、両者間で水分のやりとりが行われるように構成されている。 (3-1) Configuration The present embodiment is a modification of the first embodiment and the second embodiment, and as shown in FIG. 3, the first reaction gas flow path 2 and the second reaction gas flow The passage 3 is connected by the return part 30, and the reaction gas inlet part 5 and the outlet part 6 are each provided in one place, and accordingly, the moisture absorption region 11 and the humidification region 10 are also provided in one place respectively. In addition, the moisture absorption area | region 11 and the humidification area | region 10 are arrange | positioned so that it may mutually adjoin, and it is comprised so that a moisture exchange may be performed between both.

（３−２）作用・効果
上記のような構成を有する本実施形態によれば、第１の反応ガス流路２と第２の反応ガス流路３をリターン部３０により接続することにより、反応ガスの入口部５及び出口部６をそれぞれ１箇所とすることができるだけでなく、セパレータの同一側面に配置することができるので、上記第１実施形態又は第２実施形態と同様の作用・効果が得られるだけでなく、吸湿領域１１と加湿領域１０の設置個数を削減することができ、構成の簡略化を図ることができる。 (3-2) Actions / Effects According to the present embodiment having the above-described configuration, the first reaction gas flow channel 2 and the second reaction gas flow channel 3 are connected by the return unit 30 to thereby react. Not only can the gas inlet portion 5 and the outlet portion 6 be respectively provided at one place, but they can be arranged on the same side surface of the separator, so that the same operation and effect as in the first embodiment or the second embodiment can be obtained. In addition to being obtained, the number of the hygroscopic regions 11 and the humidifying regions 10 can be reduced, and the configuration can be simplified.

（４）第４実施形態
本発明は、上記第３実施形態の変形例であって、反応ガス流路の構成を変更することにより、吸湿領域１１と加湿領域１０との隣接部位を増やし、ドライガスへの加湿信頼性を高めたものである。 (4) Fourth Embodiment The present invention is a modification of the third embodiment, and by changing the configuration of the reaction gas flow path, the number of adjacent portions between the moisture absorption region 11 and the humidification region 10 is increased, and the dry gas is dried. It improves the humidification reliability of gas.

（４−１）構成
すなわち、本実施形態においては、図４に示すように、図中左方向から供給される第１の反応ガス流路２をセパレータの中央部に配置し、リターン部３０によって反転したガス流を、前記第１の反応ガス流路２の両側に配置された第２の反応ガス流路３１及び第３の反応ガス流路３２に導入するように構成されている。 (4-1) Configuration That is, in the present embodiment, as shown in FIG. 4, the first reaction gas channel 2 supplied from the left direction in the figure is arranged in the center of the separator, and the return unit 30 The inverted gas flow is configured to be introduced into the second reaction gas channel 31 and the third reaction gas channel 32 disposed on both sides of the first reaction gas channel 2.

このような構成とすることにより、反応ガスの入口部５は１箇所、また、出口部６は２箇所となり、それに伴い加湿領域１０は１箇所、吸湿領域１１は２箇所となる。なお、吸湿領域１１および加湿領域１０は互いに隣接するように配置され、両者間で水分のやりとりが行われるように構成されている。   By adopting such a configuration, the reaction gas inlet portion 5 is provided at one location and the outlet portion 6 is provided at two locations, and accordingly, the humidification region 10 is provided at one location and the moisture absorption region 11 is provided at two locations. In addition, the moisture absorption area | region 11 and the humidification area | region 10 are arrange | positioned so that it may mutually adjoin, and it is comprised so that a moisture exchange may be performed between both.

（４−２）作用・効果
上記のような構成を有する本実施形態によれば、第１の反応ガス流路２をセパレータの中央部に配置し、リターン部３０によって反転したガス流を、前記第１の反応ガス流路２の両側に配置された第２の反応ガス流路３１及び第３の反応ガス流路３２に導入するように構成することにより、反応ガスの入口部５及び出口部６をセパレータの同一側面に配置することができる。また、加湿領域１０は１箇所であるのに対して、吸湿領域１１は２箇所となるため、加湿領域１０への水分補給が十分なものとなるため、加湿特性の優れた固体高分子型燃料電池を提供することができる。 (4-2) Actions / Effects According to the present embodiment having the above-described configuration, the first reactive gas flow channel 2 is disposed in the center of the separator, and the gas flow inverted by the return unit 30 is By introducing the second reaction gas channel 31 and the third reaction gas channel 32 arranged on both sides of the first reaction gas channel 2, the reaction gas inlet 5 and the outlet 5 are provided. 6 can be placed on the same side of the separator. In addition, since the humidification region 10 is one place, the moisture absorption region 11 is two places, so that the moisture supply to the humidification region 10 is sufficient, so that the solid polymer fuel having excellent humidification characteristics A battery can be provided.

（５）他の実施形態
本発明は、上述した各実施形態に限定されるものではなく、以下のような薄型燃料電池に適用することもできる。すなわち、図５に示した例は、上記第４実施形態を薄型燃料電池に適用したものであるが、この場合、図５に示すように、吸湿領域１１と加湿領域１０とをセル内部のほぼ全体に組み込むことが好ましい。 (5) Other Embodiments The present invention is not limited to the above-described embodiments, and can also be applied to the following thin fuel cells. That is, in the example shown in FIG. 5, the fourth embodiment is applied to a thin fuel cell. In this case, as shown in FIG. It is preferable to incorporate the whole.

また、前記吸湿領域１１と加湿領域１０で性能が確保できれば、これらを必ずしもセル内部に組み込む必要はなく、図６に示すように、反応ガスの入口部及び出口部の外側面に設けても良い。例えば、乾燥固化すると親水作用を有する多孔質（層）となる材料（例えば、多孔質カーボン及び酸化チタン等の親水剤）を基材となる塗料に加えて混合し、これを反応ガスの入口部及び出口部の外側面に塗布しても良い。   If the moisture absorption region 11 and the humidification region 10 can ensure performance, it is not always necessary to incorporate them inside the cell, and they may be provided on the outer surfaces of the reaction gas inlet and outlet as shown in FIG. . For example, a porous (layer) material that has a hydrophilic action when dried and solidified (for example, a hydrophilic agent such as porous carbon and titanium oxide) is added to the base coating material and mixed, and this is mixed into the reaction gas inlet. And may be applied to the outer surface of the outlet.

このように、図６に示した燃料電池においては、予め加湿領域等を設けなくても、乾燥固化する液状物質を用いることにより、簡便な方法で加湿領域等を作製することができる。また、加湿領域等を反応ガスの入口部及び出口部の外側面に容易に形成することができるので、セルの発電領域を低減させることもない。   As described above, in the fuel cell shown in FIG. 6, the humidified region or the like can be produced by a simple method by using the liquid substance that is dried and solidified without providing the humidified region or the like in advance. Further, since the humidified region and the like can be easily formed on the outer surfaces of the inlet portion and the outlet portion of the reaction gas, the power generation region of the cell is not reduced.

また、上記の各実施形態においては、セパレータに反応ガス流路が形成される場合について説明したが、本発明は、電解質膜を挟んでアノードガス拡散層及びカソードガス拡散層が配置される固体高分子型燃料電池に適用できることは言うまでもない。   Further, in each of the above embodiments, the case where the reaction gas flow path is formed in the separator has been described. However, the present invention is not limited to a solid height in which the anode gas diffusion layer and the cathode gas diffusion layer are disposed with the electrolyte membrane interposed therebetween. Needless to say, the present invention can be applied to a molecular fuel cell.

本発明に係る固体高分子型燃料電池の第１実施形態におけるセパレータ表面の構成を示す平面図。The top view which shows the structure of the separator surface in 1st Embodiment of the polymer electrolyte fuel cell which concerns on this invention. 本発明に係る固体高分子型燃料電池の第２実施形態におけるセパレータ表面の構成を示す平面図。The top view which shows the structure of the separator surface in 2nd Embodiment of the polymer electrolyte fuel cell which concerns on this invention. 本発明に係る固体高分子型燃料電池の第３実施形態におけるセパレータ表面の構成を示す平面図。The top view which shows the structure of the separator surface in 3rd Embodiment of the polymer electrolyte fuel cell which concerns on this invention. 本発明に係る固体高分子型燃料電池の第４実施形態におけるセパレータ表面の構成を示す平面図。The top view which shows the structure of the separator surface in 4th Embodiment of the polymer electrolyte fuel cell which concerns on this invention. 本発明に係る固体高分子型燃料電池の他の実施形態におけるセパレータ表面の構成を示す平面図。The top view which shows the structure of the separator surface in other embodiment of the polymer electrolyte fuel cell which concerns on this invention. 本発明に係る固体高分子型燃料電池の他の実施形態におけるセパレータ表面の構成を示す平面図。The top view which shows the structure of the separator surface in other embodiment of the polymer electrolyte fuel cell which concerns on this invention.

符号の説明Explanation of symbols

１…セパレータ
２…第１の反応ガス流路
３…第２の反応ガス流路
４…隔壁
５、５ａ、５ｂ…入口部
６、６ａ、６ｂ…出口部
１０…加湿領域
１１…吸湿領域
２０…水透過層
３０…リターン部 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Separator 2 ... 1st reaction gas flow path 3 ... 2nd reaction gas flow path 4 ... Partition 5, 5a, 5b ... Inlet part 6, 6a, 6b ... Outlet part 10 ... Humidification area | region 11 ... Hygroscopic area | region 20 ... Water permeable layer 30 ... Return part

Claims (6)

電解質を挟んで配置した燃料極と酸化剤極とを有し、
前記燃料極の燃料ガス入口部から反応前の燃料ガスを供給し、燃料ガス出口部から反応後の燃料ガスが排出され、
前記酸化剤極の酸化剤ガス入口部から反応前の酸化剤ガスを供給し、酸化剤ガス出口部から反応後の酸化剤ガスが排出されるように構成された固体高分子型燃料電池において、
前記燃料極の燃料ガス入口部に加湿領域を設けると共に、燃料ガス出口部に吸湿領域を設け、前記加湿領域と吸湿領域とが互いに接触するように配設し、前記吸湿領域に保持された水分が前記加湿領域へ移動できるように構成したことを特徴とする固体高分子型燃料電池。 It has a fuel electrode and an oxidant electrode arranged with an electrolyte in between,
The fuel gas before the reaction is supplied from the fuel gas inlet of the fuel electrode, and the fuel gas after the reaction is discharged from the fuel gas outlet,
In the polymer electrolyte fuel cell configured to supply the oxidant gas before the reaction from the oxidant gas inlet of the oxidant electrode and to discharge the oxidant gas after the reaction from the oxidant gas outlet,
Moisture retained in the moisture absorption region is provided in the fuel gas inlet portion of the fuel electrode, a moisture absorption region is provided in the fuel gas outlet, and the humidification region and the moisture absorption region are in contact with each other. The polymer electrolyte fuel cell is characterized in that the fuel cell can be moved to the humidification region. 前記酸化剤極の酸化剤ガス入口部に加湿領域を設けると共に、酸化剤ガス出口部に吸湿領域を設け、前記加湿領域と吸湿領域とが互いに接触するように配設し、前記吸湿領域に保持された水分が前記加湿領域へ移動できるように構成した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。   A humidification region is provided at the oxidant gas inlet of the oxidant electrode, a moisture absorption region is provided at the oxidant gas outlet, and the humidification region and the moisture absorption region are arranged so as to be in contact with each other and held in the moisture absorption region. 2. The polymer electrolyte fuel cell according to claim 1, wherein the moisture is transferred to the humidification region. 前記燃料ガス及び／又は酸化剤ガスの各流路を２以上に区分された流路から構成し、隣接する流路におけるガス流が対向流となるように構成することにより、前記加湿領域と吸湿領域とが互いに接触するように配設したことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の固体高分子型燃料電池。   Each of the fuel gas and / or oxidant gas flow paths is composed of two or more flow paths, and the gas flow in the adjacent flow paths is a counter flow, so that the humidification area and the moisture absorption 3. The polymer electrolyte fuel cell according to claim 1, wherein the solid polymer fuel cell is disposed so as to be in contact with each other. 前記燃料ガス及び／又は酸化剤ガスの各流路にリターン部を設け、前記リターン部によってガス流を反転させることにより、前記ガス入口部とガス出口部とが同じ側に位置するように構成することにより、前記加湿領域と吸湿領域とが互いに接触するように配設したことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の固体高分子型燃料電池。   A return portion is provided in each flow path of the fuel gas and / or the oxidant gas, and the gas flow is reversed by the return portion so that the gas inlet portion and the gas outlet portion are located on the same side. Accordingly, the polymer electrolyte fuel cell according to claim 1 or 2, wherein the humidification region and the moisture absorption region are arranged so as to contact each other. 前記加湿領域及び吸湿領域が、多孔質体によって構成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一に記載の固体高分子型燃料電池。   The solid polymer fuel cell according to any one of claims 1 to 4, wherein the humidification region and the moisture absorption region are formed of a porous body. 前記加湿領域と吸湿領域の接触部に水透過層を配設したことを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか一に記載の固体高分子型燃料電池。   The solid polymer fuel cell according to any one of claims 1 to 5, wherein a water permeable layer is disposed at a contact portion between the humidification region and the moisture absorption region.
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