JP3736475B2

JP3736475B2 - Fuel cell

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Publication number: JP3736475B2
Application number: JP2002049650A
Authority: JP
Inventors: 寿弘竹川; 篤史宮澤
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2002-02-26
Filing date: 2002-02-26
Publication date: 2006-01-18
Anticipated expiration: 2022-02-26
Also published as: JP2003249243A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体高分子を電解質として用いた燃料電池に関し、特に、低加湿または無加湿状態のガス供給下で稼動する燃料電池においても、セル特性の低下を引き起こすことなく安定した稼動が可能であると共に、稼動温度を高く維持することによって発電効率を向上させることができる燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池は、反応ガスである水素などの燃料ガスと空気などの酸化剤ガスを電気化学的に反応させることにより、燃料が有している化学エネルギーを電気エネルギーに変換する電池である。この燃料電池は、電解質の違いなどによりさまざまなタイプのものに分類されるが、その一つとして、電解質として固体高分子膜を用いた固体高分子電解質型燃料電池が知られている。
【０００３】
一般に、燃料電池の燃料極（アノード極）、酸化剤極（カソード極）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。
【０００４】
燃料極２Ｈ_２→４Ｈ^＋＋４ｅ^￣ …（１）
酸化剤極４Ｈ^＋＋４ｅ^￣＋Ｏ_２→２Ｈ_２Ｏ …（２）
すなわち、燃料極に水素ガスが供給されると、燃料極では式（１）の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が水和状態で電解質（固体高分子電解質型電池の場合には、固体高分子電解質膜）を透過（拡散）して酸化剤極に至る。そして、この酸化剤極に酸素含有ガス、例えば空気が供給されることにより、カソードでは式（２）の反応が進行する。この（１）、（２）の電極反応が各極で進行することにより、燃料電池は起電力を発生する。
【０００５】
一般に燃料電池での発電では、燃料が有している化学エネルギーのうち電気エネルギーに変換できない分を熱として放出するため、電極反応を円滑に進行させるためには、特開平５−１９０１９３号公報に記載されるように、循環する冷却水で燃料電池を冷却することが広く行われている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記した式（２）で示すように、電極反応においては、カソード極で水が生成するため、生成した水が電極や拡散層の細孔に浸透する、いわゆる電極の濡れ（フラッディング）が生じ、ガス拡散性が低下してセル特性の低下を引き起こしている。
【０００７】
一方、固体高分子電解質型燃料電池においては、固体高分子電解質膜のプロトン導電性が反応ガスの湿度に著しく依存しており、反応ガスの湿度が低すぎると、固体高分子電解質膜が乾燥して膜抵抗が増大して、セル特性の低下を引き起こすこととなる。このため、電極の湿潤状態を適切に保持するために、反応ガスを加湿器等の加湿手段により加湿して供給することが一般的に行われている。しかしながら、このように加湿器等の加湿手段を用いる場合には、固体高分子電解質型燃料電池が大型化し、発電システムとしての発電効率が低下する。
【０００８】
このため、反応ガスを加湿することなく供給して、固体高分子電解質型燃料電池を稼働する無加湿運転が試みられており、特開２００１−１８５１７２号公報や特開２００１−６６９８号公報には、高分子電解質膜を薄膜化したり、アノード極及びカソード極に供給する反応ガスを互いに反対方向に流通させる対向流として供給することが開示されている。
【０００９】
しかしながら、反応ガスを低加湿または無加湿の状態で発電を行うと、燃料ガス及び酸化剤ガスを消費して発電を行う部位であるＭＥＡ（膜電極接合体；ＭｅｍｂｒａｎＥｌｅｃｔｒｏｄｅＡｓｓｅｍｅｂｌｙ）の含水状態が不安定となり、その結果発電に必要なプロトンの移動が安定して行われなくなる。このため、セル特性を低下させることなく安定して発電を行うことは困難であった。従来の燃料電池では、安定して発電できる温度域が６０℃近辺と限られている。そのため燃料電池の発電効率がより望ましい状態となる９０℃に近い温度での稼動を維持することが困難であった。
【００１０】
さらに、車両の推進エネルギーとして燃料電池からの電力を用いるに当たっては、燃料電池からの排熱を円滑に行うためにラジエターを必要としている。これに対し、上述したような限られた稼動温度では、外気温との温度差があまりないため、良好な除熱効率とすることができないものとなっている。このようなことから、除熱効率を維持するためには非常に大きなラジエターを必要とし、これにより燃料電池による発電システムが大型化して、その効率低下の原因となっている。
【００１１】
さらに燃料電池車両（ＦＣＶ）に用いる燃料電池としては、負荷に応じて運転状況を変化させる過渡応答性が必要となる。すなわち、低負荷状態では発電で生成する生成水と比較して、ガス流速が比較的低いために、ＭＥＡの乾燥をある程度抑制できるのに対し、高負荷状態になると負荷に応じて生成する水量も多くなるが、それ以上にガス流速が早くなるため、ＭＥＡの乾燥を促進して、一部ではＭＥＡの水不足状態が生じることに応答する必要がある。またガスの下流側では蒸発した水分がガス中に溜め込まれてくるため、一定量以上の水分量をガスが保持できなくなり、水のたまり、すなわちフラッディングを起こすこととなり、これに応答する必要がある。このようにセル内では、ＭＥＡの含水状態が不均一となるため、セル特性の低下が生じて、安定して燃料電池を稼動することが難しい問題を有している。
【００１２】
そこで本発明は、このような従来の問題点を考慮してなされたもので、その目的は、電極反応により生成された水による膜電極接合体の乾燥を抑制でき、かつ加湿が抑制されたガスの供給下における発電においてもセル特性の低下を引き起こすことがなく、これにより発電効率が高く小型化の可能な燃料電池を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１記載の発明は、電解質膜の両面に高分子電解質を含む触媒層及び多孔質の拡散層からなる電極が配置された膜電極接合体と、前記膜電極接合体を挟むように配置されたアノード側セパレータ及びカソード側セパレータと、低加湿または無加湿状態の燃料ガスが前記膜電極接合体と対向する面内を流通するようにアノード側セパレータに形成された燃料ガス流路と、低加湿または無加湿状態の酸化剤ガスが前記膜電極接合体と対向した面内を燃料ガスと対向した流れとなって流通するようにカソード側セパレータに形成された酸化剤ガス流路とを備え、前記燃料ガス流路と前記酸化剤ガス流路のガス入口及びガス出口が膜電極接合体を挟んで対向するように配置されると共に、発電によって発生する熱を排熱する排熱用冷却水路が設けられた燃料電池であって、前記酸化剤ガス流路のガス出口部分を冷却する酸化剤ガス調整用冷却水路が、前記排熱用冷却水路と独立して前記カソード側セパレータに形成されていることを特徴とする。
【００１４】
請求項１記載の発明では、酸化剤ガス調整用冷却水路によって、含水量の多い酸化剤ガスのガス出口部分でガス温度をガス入口部分のガス温度と異なる温度とするため、ガス中に飛散している水分を凝集して回収することができる。このとき、ガス出口部分のガス温度をガス入口部分のガス温度より低くすることによって水を回収できると共に、電解質膜の反対側に設置される含水量の少ない燃料ガスのガス入口部分に対して、電解質膜の表裏での水分量の濃度差を大きくすることができ、これにより、酸化剤ガスのガス出口側からガス入口側へ電解質膜を介して水の供給を促進することが可能となる。
【００１５】
さらに加湿された燃料ガスがセル中央部へ水分を持ち込むため、膜電極接合体の乾燥を抑制することができる。このため、セル特性の低下を抑制し、安定した発電をすることが可能となる。
【００１６】
さらにまた、酸化剤ガスのガス入口部分の温度に比べて出口部分のガス温度を異なる温度状態に調整する酸化剤ガス調整用冷却水路を、燃料電池自体から発生する熱の排熱用冷却水路と独立して設けることにより、セルの稼働温度を高く維持することができる。このため、高い発電効率を維持できるとともに、外気温との温度差を保持でき、燃料電池からの排熱をスムーズに行うことも可能となる。
【００１７】
また、請求項２記載の発明は、電解質膜の両面に高分子電解質を含む触媒層及び多孔質の拡散層からなる電極が配置された膜電極接合体と、前記膜電極接合体を挟むように配置されたアノード側セパレータ及びカソード側セパレータと、低加湿または無加湿状態の燃料ガスが前記膜電極接合体と対向する面内を流通するように前記アノード側セパレータに形成された燃料ガス流路と、低加湿または無加湿状態の酸化剤ガスが前記膜電極接合体と対向した面内を燃料ガスと対向した流れとなって流通するように前記カソード側セパレータに形成された酸化剤ガス流路とを備え、前記燃料ガス流路と前記酸化剤ガス流路のガス入口及びガス出口が膜電極接合体を挟んで対向するように配置されると共に、発電によって発生する熱を排熱する排熱用冷却水路が設けられた燃料電池であって、前記酸化剤ガス流路のガス出口部分を冷却する酸化剤ガス調整用冷却水路が前記排熱用冷却水路と独立して前記カソード側セパレータに形成されると共に、前記燃料ガス流路のガス出口部分を冷却する燃料ガス調整用冷却水路が前記排熱用冷却水路及び前記酸化剤ガス調整用冷却水路と独立して前記アノード側セパレータに形成されていることを特徴とする。すなわち、このような構成の請求項２記載の発明では、請求項１の発明の構成に加えて、燃料ガスのガス入口部分の温度に比べて出口部分の温度が異なるように調整する燃料ガス調整用冷却水路を設けている。
【００１８】
したがって、請求項２記載の発明では、酸化剤ガスのガス出口部分だけではなく、燃料ガスのガス出口部分においても、ガス出口部分のガス温度をガス入口部分のガス温度と異なる温度とすることができ、これにより、燃料ガス中に含まれている水分を凝集して回収することができる。このように、燃料ガスのガス出口部分に対しても、独立した冷却水路を設けることにより、含水量が少ないガスの双方の入口部分に対しても、水分量の濃度差を利用した水分の供給を電解質膜の表裏で行うことが可能となる。
【００１９】
また、加湿された燃料ガスおよび酸化剤ガスの双方がセル中央部へ水分を持ち込むため、膜電極接合体の乾操をさらに抑制することができる。このため、セル特性の低下をさらに抑制でき、安定して発電することが可能となる。
【００２０】
請求項３記載の発明は、請求項１または２記載の燃料電池であって、前記酸化剤ガス調整用冷却水路および／または前記燃料ガス調整用冷却水路が、前記膜電極接合体における前記触媒層が配置された領域外に位置するように配置されていることを特徴とする。
【００２１】
したがって、請求項３記載の発明では、酸化剤ガス調整用冷却水路や燃料ガス調整用水路を膜電極接合体における触媒層の領域外に設けるため、これら調整用冷却水路の冷却が膜電極接合体に影響することがなくなり、セルの稼動温度を発電効率に適した温度に維持することができ、その結果、燃料電池全体の効率を向上させることができる。
【００２２】
また、請求項３記載の発明では、ガス流路へガスを供給する流路幅の大きな部位を冷却することができるため、凝集した水が電極や拡散層の細孔に浸透する電極の濡れ（フラッディング）の発生を防ぐことができ、ガス拡散性が低下し、セル特性の低下を抑制できる。
【００２３】
一般に、水の凝集のために温度を低くする部位では、中央部より温度が低くなるため発電効率が中央部より低くなってしまい、セル全体の安定性を損なうのに対し、この請求項３記載の発明では、調整用冷却水路を発電に必要な触媒塗布部と重ならないようにしているため、触媒を有効に活用できる。これにより、燃料電池の稼働の安定性を高めることができ、しかも、余分な触媒の使用を抑制できる。
【００２４】
請求項４記載の発明は、請求項１乃至請求項３のいずれかに記載された燃料電池であって、前記排熱用冷却水路と、前記酸化剤ガス調整用冷却水路と、前記燃料ガス調整用冷却水路とが、個別の温度調整システムに接続されていることを特徴とする。
【００２５】
したがって、請求項４記載の発明では、負荷変動時に応じて、これら調整用冷却水路の温度を適した温度に維持することができるため、燃料電池の発電の効率低下を抑制することができる。
【００２６】
請求項５記載の発明は、請求項１乃至請求項３のいずれかに記載された燃料電池であって、前記排熱用冷却水路及び調整用冷却水路とが同じ温度調整システムに接続されていることを特徴とする。
【００２７】
したがって、請求項５記載の発明では、同じ温度調整システムを用いることにより、燃料電池の構成を簡素化することができる。また、加湿が抑制されたガス供給の発電においても、セル特性の低下を引き起こすことなく、かつ発電効率が高く、より小型化された燃料電池とすることができる。
【００２８】
請求項６の発明は、請求項１乃至請求項５のいずれかに記載された燃料電池であって、自動車に搭載されていることを特徴とする。
【００２９】
請求項６の発明では、自動車が加湿が抑制された燃料電池を搭載するため、自動車自体をコンパクトとすることができる。
【００３０】
【発明の効果】
請求項１の発明によれば、含水量の多い酸化剤ガスのガス出口部分でガス温度をガス入口部分のガス温度と異なる温度とするため、ガス中に飛散している水分を凝集して回収することができる。そして、ガス出口部分のガス温度をガス入口部分のガス温度より低くして水を回収することにより、電解質膜の反対側に設置される含水量の少ない燃料ガスのガス入口部分に対しての水分量の濃度差を大きくすることができ、酸化剤ガスのガス出口側からガス入口側へ電解質膜を介して水の供給を促進することが可能となる。
【００３１】
また、加湿された燃料ガスがセル中央部へ水分を同伴するため、膜電極接合体の乾燥を抑制することができ、セル特性の低下を抑制し、発電を安定して行うことができる。
【００３２】
さらに、調整用冷却水路を排熱用冷却水路と独立して設けるため、セルの稼働温度を高く維持することができ、このため、高い発電効率を維持できるとともに、外気温との温度差を保持でき、燃料電池からの排熱をスムーズに行うことも可能となる。
【００３３】
請求項２の発明によれば、請求項１の発明と同様な効果を有するのに加えて、燃料ガスのガス出口部分においても、ガス出口部分のガス温度をガス入口部分のガス温度と異なる温度とすることができるため、燃料ガス中に飛散している水分を凝集して回収することができ、含水量が少ないガスの双方の入口部分に対しても、水分量の濃度差を利用した水分の供給を電解質膜の表裏で行うこと可能となる。
【００３４】
また、加湿された燃料ガス及び酸化剤ガスの双方がセル中央部へ水分を同伴するため、膜電極接合体の乾操をさらに抑制することができ、セル特性の低下を抑制して、発電を安定して行うことができる。
【００３５】
請求項３の発明によれば、請求項１及び２の発明と同様な効果を有するのに加えて、調整用冷却水路の冷却が膜電極接合体に影響することがなくなり、セルの稼動温度を発電効率に適した温度に維持することができ、燃料電池全体の効率を向上させることができる。また、ガス流路へガスを供給する流路幅の大きな部位を冷却することができるため、凝集した水が電極や拡散層の細孔に浸透する電極の濡れの発生を防ぐことができ、ガス拡散性が低下し、セル特性の低下を抑制できる。
【００３６】
さらに、調整用冷却水路が発電に必要な触媒塗布部と重ならないようになっているため、触媒を有効に活用でき、これにより、燃料電池の稼働の安定性を高めることができ、さらには、余分な触媒の使用を抑制できるため、コストを削減できる。
【００３７】
請求項４の発明によれば、請求項１〜３の発明と同様な効果を有するのに加えて、負荷変動時に応じて、調整用冷却水路の温度を適した温度に維持することができるため、燃料電池の発電の効率低下を抑制することができる。
【００３８】
請求項５の発明によれば、請求項１〜３の発明と同様な効果を有するのに加えて、同じ温度調整システムを用いるため、燃料電池の構成を簡素化することができ、しかも、加湿が抑制されたガス供給の発電においても、セル特性の低下を引き起こすことなく、かつ発電効率が高く、より小型化された燃料電池とすることができる。
【００３９】
請求項６の発明によれば、請求項１〜５の発明と同様な効果を有するのに加えて、自動車が加湿が抑制された燃料電池を搭載するため、自動車自体をコンパクトとすることができる。
【００４０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る燃料電池の詳細を図面に示す各実施の形態に基づいて説明する。
【００４１】
（第１の実施の形態）
図１および図２は、本発明の第１の実施形態の固体高分子電解質型の燃料電池を示し、図１は燃料電池の一部を示す断面図、図２は固体高分子電解質型燃料電池の基本構成を示す分解斜線図である。
【００４２】
燃料電池スタックは、膜電極接合体１と、この膜電極接合体１を挟むように配置されたカソード側セパレータ２およびアノード側セパレータ３と、を有して構成されている。
【００４３】
膜電極接合体１は、固体高分子膜からなる電解質膜４と、この電解質膜４の両面に配置された電極５、６とによって形成されている。電解質膜４は、フッ素系樹脂などの固体高分子材料によりプロトン伝導性の膜として形成されている。電解質膜４の両面に配設される二つの電極５、６には、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と接触するように形成されている。電極５は、酸化剤極、電極６は燃料極として機能する。
【００４４】
カソード側セパレータ２およびアノード側セパレータ３は、いずれもガス不透過である緻密性カーボン材で形成されており、片面または両面に燃料ガスや酸化性ガスあるいは冷却媒体の流路を確保するための多数のリブが形成されている。また、セパレータ外縁部に沿ったシーリング領域７によって水素を含有する燃料ガスや酸素を含有する酸化剤ガスをシールしている。
【００４５】
カソード側セパレータ２には、酸化剤ガス流路８が形成されている。酸化剤ガス流路８には、加湿が抑制された空気などの酸化剤ガスが供給される。この酸化剤ガス流路８は、カソード側セパレータ２における膜電極接合体１と対面した面内を酸化剤ガスが流通するように形成されている。酸化剤ガスはガス入口９から導入され、酸化剤ガス流路８を流通した後、ガス出口１０から排出される。
【００４６】
一方、アノード側セパレータ３には、燃料ガス流路１６が形成されている。この流路１１には、加湿が抑制された水素等の燃料ガスが供給される。そして、この燃料ガスはガス入口１２から導入され、燃料ガス流路１６を流通した後、ガス出口１３から排出されるようになっている。アノード側セパレータ３では、カソード側セパレータ２の酸化剤ガス流路８と同様に、燃料ガスが膜電極接合体１と対面した面内を流通するように燃料ガス流路１６が形成されるが、酸化剤ガスおよび燃料ガスが対向した流れとなるように酸化剤ガス流路８および燃料ガス流路１６が形成されている。すなわち、図１に示すように酸化剤ガスは矢印Ａで示すように、酸化剤ガス流路８内を左側から右側に流通するのに対し、燃料ガスは矢印Ｂで示すように、燃料ガス流路１６内を右側から左側に流通するようにこれらの通路が形成されるている。
【００４７】
カソード側セパレータ２およびアノード側セパレータ３においては、ガス入口が相手側セパレータのガス出口と対向するように電極接合体１を挟んで配置されている。すなわち、カソード側セパレータ２のガス入口９はアノード側セパレータ３のガス出口１３と対向し、ガス出口１０はアノード側セパレータ３のガス入口１２と対向している。
【００４８】
カソード側セパレータ２における膜電極接合体１との反対側の面には、発電によって発生した熱を排熱するための排熱用冷却水路１４が溝状となって形成されている。
【００４９】
さらに、カソード側セパレータ２には酸化剤ガス調整用冷却水路１５が形成されている。酸化剤ガス調整用冷却水路１５はカソード側セパレータ２におけるガス出口１０側に配置されている。また、酸化剤ガス調整用冷却水路１５は、排熱用冷却水路１４と独立した水路となっている。さらに、酸化剤ガス調整用冷却水路１５は、膜電極接合体１における電極４，５（触媒）の面外に位置しており、触媒が配置されていない部分を冷却するようになっている。
【００５０】
次にこの実施の形態の作用を説明する。
【００５１】
低加湿または無加湿状態のガス供給下においては、加湿して発電した場合に比べて著しく特性が低下するのが一般的であり、これは加湿が抑制されたために電極４、５が乾燥して電解質膜４の抵抗が高くなることが原因と考えられている。この実施の形態では、膜電極接合体１を挟んでそれぞれのガスを互いに対向流として供給することにより、互いの流路間に生じる水分の濃度勾配を利用して、膜電極接合体の乾燥を防ぐことが可能としている。
【００５２】
しかし、燃料電池の発電効率がより高く、燃料電池に発生する熱の除熱効率がより高くなる７０℃以上で発電を行う場合には、蒸気としての燃料電池から持ち出される水分量が多くなるため、たとえガス供給を対向流の形態としても膜電極接合体１が乾操状態となって特性が低下する。
【００５３】
この実施の形態では、このような問題を解決するため、発電部位で発生する熱を除くための排熱用冷却水路１４と、酸化剤ガスのガス１０出口を冷却する調整用冷却水路１５が独立して、それぞれの温度を調節できるようになっている。すなわち、酸化剤ガスのガス出口１０では、燃料電池の冷却用と独立した専用の酸化剤ガス調整用冷却水路１５によって水分を凝集して排出される水分を回収している。このように、発電によって酸化剤極側に生成される水分が蒸気として含まれる酸化剤ガスを、そのガス出口１０で水分を回収し、凝集した水分を濃度差を利用して電解質膜４を介して通過させている。これにより、燃料ガス流路１６のガス入口１１に供給される燃料ガスを加湿して、セル内の膜電極接合体１の乾燥を抑制している。
【００５４】
このような実施の形態では、酸化剤ガスのガス出口１０付近のみを特に冷却するため、発電に関与する膜電極接合体１での温度を高く維持することができる。このように、発電部位の温度が高くなることにより、発電効率が高くなるとともに、燃料電池の除熱効率も改善されるため、系全体の発電効率がより向上した固体高分子電解質型燃料電池とすることができる。
【００５５】
また、発電部位の温度を高くすることによって、その部位での飽和水蒸気量が高くなるため、生成した水による電極や拡散層の細孔に浸透する電極の濡れが抑制され、これにより優れたセル特性を得ることができる。
【００５６】
（第２実施の形態）
図３は、本発明の第２実施の形態の燃料電池の一部を示す断面図、図４は燃料電池の基本構成を示す分解斜視図である。
【００５７】
この実施の形態では、第１の実施の形態の構成に加えて燃料ガス調整用冷却水路１７がアノード側セパレータ３に形成されている。すなわち、この形態ではカソード側セパレータ２に酸化剤ガス調整用冷却水路１５を第１の実施の形態と同様に形成するのに加えて、アノード側セパレータ３にも燃料ガス調整用冷却水路１７を形成するものである。この調整用冷却水路１７はアノード側セパレータ３における燃料ガスのガス出口１３に対応するように形成されている。
【００５８】
アノード側セパレータ３の燃料ガス調整用冷却水路１７は、排熱用冷却水路１４と独立していると共に、カソード側セパレータ２の酸化剤ガス調整用冷却水路１５とも独立している。したがって、この燃料ガス調整用冷却水路１７は、燃料ガスのガス出口１３部分の温度をガス入口１１部分と異なるように調整するが、この調整は排熱用冷却水路１４およびカソード側セパレータ２の酸化剤ガス調整用冷却水路１５と独立して行うようになっている。また、アノード側セパレータ３の燃料ガス調整用冷却水路１７は、膜電極接合体１における電極４、５（触媒層）の面外に位置するように配置されている。
【００５９】
この実施の形態では、第１の実施の形態の排熱用冷却水路１４および酸化ガスのガス出口１０冷却用の酸化剤ガス調整用冷却水路１５に加えて、燃料ガスのガス出口１３を冷却する燃料ガス調整用冷却水路１７を設けているため、両方のガス出口１０、１３における水回収およびガスの加湿を酸化剤ガス、燃料ガスの両方で行うことができるため、膜電極接合体１の乾燥抑制をより促進することができる。
【００６０】
（第３の実施の形態）
図５および図６は、本発明の第３の実施の形態を示す。この実施の形態では、図５に示すように燃料ガス調整用冷却水路１９がアノード側セパレータ３に形成されている。図６はカソード側セパレータ２でを示し、酸化剤ガスの入口マニホールド２１および出口マニホールド２２がアノード側セパレータ３の入口マニホールド２４および出口マニホールド２５と対応するように形成されている。
【００６１】
図５および図６において、２６、２７は燃料ガスの入口マニホールド、２８、２９は燃料ガスの出口マニホールド、３１、３２は冷却水の入口、３３、３４は冷却水の出口である。
【００６２】
この実施の形態において、カソード側セパレータ２では、図６に示すようにガス流路が同一平面状を往復する構成となっている。ここでは、そのガス供給出口を冷却する独立した調整用冷却水路１９をアノード側セパレータ３に形成している。このような構成とすることにより、酸化剤ガス自身でガス供給に必要な加湿を行なうことが可能となっている。
【００６３】
（第４の実施の形態）
図７は、本発明の第４の実施の形態であり、固体高分子電解質型燃料電池におけるガスや冷却水の流通系を示している。
【００６４】
本実施の形態では、固体高分子電解質型燃料電池が、上記した第１〜第３の実施の形態のいずれかの構成となっている。したがって、図７に示すように、燃料電池４１は、酸化ガスのガス入口９、ガス出口１０および燃料ガスのガス入口１１およびガス出口１３を有している。
【００６５】
さらに、酸化ガスのガス出口１３の温度調整を行う酸化剤ガス調整用冷却水路１５が形成されている。この酸化剤ガス調整用冷却水路１５は、燃料電池４１の系外に設けられた酸化剤ガス出口冷却系４２と接続されている。酸化剤ガス出口冷却系４２は熱交換器４３を有しており、燃料電池４１の系外で熱交換が行われる。
【００６６】
一方、発電によって発生した熱を排熱する排熱用冷却水路は、燃料電池４１の系外に設けられた燃料電池スタック冷却系４４に接続されている。この冷却系４４は酸化ガス出口冷却系４２の熱交換器４３とは、別個の熱交換器４５を備えている。
【００６７】
このような実施の形態では、燃料電池本体の除熱のための冷却系と酸化剤ガス出口でのガス中の水分を回収する冷却系が独立して循環して温度制御を行う。これにより、燃料電池の運転温度を高く維持することができ、高い運転温度にもかかわらず膜電極接合体１の乾操を抑制することができ、安定して発電することが可能となる。
【００６８】
（第５実施の形態）
図８は、本発明の第５の実施の形態のガスおよび冷却水の流通系を示している。
【００６９】
この実施の形態では、独立している燃料電池４１の除熱のための燃料電池スタック冷却系４４と、酸化剤ガス出口でガス中の水分を回収する酸化ガス出口冷却系４２とが、スタックの外部で連結されて冷却水が循環して、温度制御を行うようになっている。これにより熱交換器４５を出た直後の温度の低い冷却水で、空気または燃料の出口側を冷却することができる。
【００７０】
このような構成では、燃料電池４１のシステム構成を簡素化することができ、結果としてシステム全体のサイズをコンパクトにできる。従って、体積あたりの出力密度を向上することができ、結果として、安定したより小型の固体高分子電解質型燃料電池とすることができる。
【００７１】
システムを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る燃料電池の第１の実施の形態を示す断面図である。
【図２】第１の実施の形態に係る燃料電池の分解斜視図である。
【図３】本発明に係る燃料電池の第２の実施の形態を示す断面図である。
【図４】第２の実施の形態に係る燃料電池の分解斜視図である。
【図５】本発明に係る燃料電池の第３の実施の形態に用いるアノード側セパレータの平面図である。
【図６】本発明に係る燃料電池の第３の実施の形態に用いるカソード側セパレータの平面図である。
【図７】本発明に係る燃料電池の第４の実施の形態のシステムを示す全体図である。
【図８】本発明に係る燃料電池の第５の実施の形態のシステムを示す全体図である。
【符号の説明】
１膜電極接合体
２カソード側セパレータ
３アノード側セパレータ
４電解質膜
５、６電極
８酸化ガス流路
９酸化ガスのガス入口
１０酸化ガスのガス出口
１１燃料ガスのガス入口
１３燃料ガスのガス出口
１４排熱用冷却水路
１５酸化剤ガス調整用冷却水路
１７燃料ガス調整用冷却水路[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel cell using a solid polymer as an electrolyte, and in particular, even in a fuel cell that operates with a gas supply in a low or non-humidified state, stable operation is possible without causing deterioration in cell characteristics. In addition, the present invention relates to a fuel cell that can improve power generation efficiency by maintaining a high operating temperature.
[0002]
[Prior art]
A fuel cell is a cell that converts chemical energy possessed by fuel into electrical energy by electrochemically reacting a fuel gas such as hydrogen, which is a reaction gas, and an oxidant gas such as air. The fuel cells are classified into various types depending on the difference in electrolytes, and one of them is a solid polymer electrolyte fuel cell using a solid polymer membrane as an electrolyte.
[0003]
In general, the electrode reactions proceeding at both the fuel electrode (anode electrode) and the oxidant electrode (cathode electrode) of the fuel cell are as follows.
[0004]
Fuel electrode 2H ₂ → 4H ⁺ + 4e ^￣ ... (1)
Oxidant electrode 4H ⁺ + 4e ^￣ + O ₂ → 2H ₂ O ... (2)
That is, when hydrogen gas is supplied to the fuel electrode, the reaction of Formula (1) proceeds at the fuel electrode to generate hydrogen ions. The generated hydrogen ions permeate (diffuse) through the electrolyte (in the case of a solid polymer electrolyte battery, a solid polymer electrolyte membrane) in a hydrated state and reach the oxidizer electrode. Then, an oxygen-containing gas such as air is supplied to the oxidizer electrode, whereby the reaction of the formula (2) proceeds at the cathode. As the electrode reactions (1) and (2) proceed at each electrode, the fuel cell generates an electromotive force.
[0005]
In general, in power generation in a fuel cell, the chemical energy of the fuel that cannot be converted into electrical energy is released as heat, so that the electrode reaction can proceed smoothly, Japanese Patent Laid-Open No. 5-190193 discloses. As described, cooling fuel cells with circulating cooling water is widely practiced.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
As shown in the above formula (2), in the electrode reaction, since water is generated at the cathode electrode, the generated water penetrates into the pores of the electrode and the diffusion layer, so-called electrode wetting (flooding) occurs. The gas diffusibility is lowered, causing the cell characteristics to deteriorate.
[0007]
On the other hand, in a solid polymer electrolyte fuel cell, the proton conductivity of the solid polymer electrolyte membrane remarkably depends on the humidity of the reaction gas, and if the humidity of the reaction gas is too low, the solid polymer electrolyte membrane is dried. As a result, the film resistance is increased and the cell characteristics are deteriorated. For this reason, in order to appropriately maintain the wet state of the electrode, it is generally performed that the reaction gas is humidified and supplied by a humidifying means such as a humidifier. However, when humidifying means such as a humidifier is used in this way, the solid polymer electrolyte fuel cell becomes large and the power generation efficiency of the power generation system decreases.
[0008]
For this reason, an unhumidified operation in which a reaction gas is supplied without being humidified and a solid polymer electrolyte fuel cell is operated has been attempted. Japanese Patent Application Laid-Open Nos. 2001-185172 and 2001-6698 include In addition, it is disclosed that the polymer electrolyte membrane is made thin, or the reactive gas supplied to the anode electrode and the cathode electrode is supplied as a counterflow that circulates in opposite directions.
[0009]
However, when power generation is performed with the reaction gas in a low or non-humidified state, the water content of the MEA (membrane electrode assembly), which is a portion that consumes fuel gas and oxidant gas to generate power, is not good. As a result, the protons necessary for power generation cannot be stably transferred. For this reason, it has been difficult to stably generate power without deteriorating cell characteristics. In the conventional fuel cell, the temperature range where power can be generated stably is limited to around 60 ° C. Therefore, it has been difficult to maintain operation at a temperature close to 90 ° C. at which the power generation efficiency of the fuel cell becomes more desirable.
[0010]
Furthermore, when using the electric power from the fuel cell as the propulsion energy of the vehicle, a radiator is required to smoothly exhaust the heat from the fuel cell. On the other hand, at the limited operating temperature as described above, there is not much temperature difference from the outside air temperature, so that it is not possible to achieve good heat removal efficiency. For this reason, in order to maintain the heat removal efficiency, a very large radiator is required, which increases the size of the power generation system using the fuel cell and causes the efficiency to decrease.
[0011]
Furthermore, as a fuel cell used in a fuel cell vehicle (FCV), a transient response that changes an operation state according to a load is required. That is, since the gas flow rate is relatively low compared to the generated water generated by power generation in the low load state, the drying of the MEA can be suppressed to some extent, while the amount of water generated according to the load also increases in the high load state. Although more, the gas flow rate becomes faster than that, so it is necessary to promote the drying of the MEA and to respond in part to the water shortage condition of the MEA. Further, since the evaporated water is stored in the gas on the downstream side of the gas, the gas cannot hold a moisture amount of a certain amount or more, which causes a pool of water, that is, flooding, and it is necessary to respond to this. . Thus, in the cell, the water content of the MEA becomes non-uniform so that the cell characteristics are deteriorated and it is difficult to operate the fuel cell stably.
[0012]
Therefore, the present invention has been made in consideration of such conventional problems, and its purpose is to suppress the drying of the membrane electrode assembly by water generated by the electrode reaction and to suppress the humidification. It is an object of the present invention to provide a fuel cell that has high power generation efficiency and can be miniaturized without causing deterioration of cell characteristics even in power generation under the supply of the above.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the invention according to claim 1 is a membrane electrode assembly in which an electrode comprising a catalyst layer containing a polymer electrolyte and a porous diffusion layer is disposed on both surfaces of the electrolyte membrane, and the membrane electrode junction. An anode-side separator and a cathode-side separator arranged to sandwich the body, Low or non-humidified A fuel gas channel formed in the anode-side separator so that the fuel gas flows in a plane facing the membrane electrode assembly; Low or non-humidified An oxidant gas channel formed in the cathode separator so that the oxidant gas flows in a plane opposite to the fuel gas in a plane facing the membrane electrode assembly, and the fuel gas channel; A fuel cell in which a gas inlet and a gas outlet of the oxidant gas channel are arranged so as to face each other with a membrane electrode assembly interposed therebetween, and a waste heat cooling water channel for exhausting heat generated by power generation is provided. The oxidant gas flow path Cool the gas outlet An oxidant gas adjustment cooling water channel is formed in the cathode separator independently of the exhaust heat cooling water channel.
[0014]
In the first aspect of the invention, the oxidant gas adjustment cooling water channel causes the gas temperature at the gas outlet portion of the oxidant gas having a high water content to be different from the gas temperature at the gas inlet portion. It is possible to agglomerate and collect the water. At this time, the water temperature can be recovered by making the gas temperature of the gas outlet portion lower than the gas temperature of the gas inlet portion, and for the gas inlet portion of the fuel gas with a low water content installed on the opposite side of the electrolyte membrane, It is possible to increase the difference in water content between the front and back surfaces of the electrolyte membrane, thereby promoting the supply of water from the gas outlet side of the oxidant gas to the gas inlet side via the electrolyte membrane.
[0015]
Furthermore, since the humidified fuel gas brings moisture into the cell center, drying of the membrane electrode assembly can be suppressed. For this reason, it becomes possible to suppress the deterioration of the cell characteristics and perform stable power generation.
[0016]
Furthermore, an oxidant gas adjustment cooling channel that adjusts the gas temperature of the outlet part to a different temperature state compared to the temperature of the gas inlet part of the oxidant gas, and a cooling water channel for exhaust heat of heat generated from the fuel cell itself By providing it independently, the operating temperature of the cell can be kept high. For this reason, while being able to maintain high electric power generation efficiency, the temperature difference with external temperature can be hold | maintained and it also becomes possible to perform the exhaust heat from a fuel cell smoothly.
[0017]
According to a second aspect of the present invention, there is provided a membrane electrode assembly in which an electrode comprising a catalyst layer containing a polymer electrolyte and a porous diffusion layer is disposed on both surfaces of the electrolyte membrane, and the membrane electrode assembly sandwiched between the membrane electrode assembly and the membrane electrode assembly. An anode-side separator and a cathode-side separator, Low or non-humidified A fuel gas flow path formed in the anode-side separator so that the fuel gas flows in a plane facing the membrane electrode assembly; Low or non-humidified An oxidant gas flow path formed in the cathode-side separator so that an oxidant gas flows in a plane facing the fuel gas in a plane facing the membrane electrode assembly, and the fuel gas flow path And a gas outlet and a gas outlet of the oxidant gas passage are arranged so as to face each other with a membrane electrode assembly interposed therebetween, and a fuel cell provided with a cooling water passage for exhaust heat that exhausts heat generated by power generation The oxidant gas flow path Cool the gas outlet An oxidant gas adjustment cooling water channel is formed in the cathode separator independently of the exhaust heat cooling water channel, and the fuel gas flow channel Cool the gas outlet A fuel gas adjusting cooling water channel is formed in the anode separator independently of the exhaust heat cooling water channel and the oxidant gas adjusting cooling water channel. That is, in the invention according to claim 2 having such a configuration, in addition to the configuration of the invention of claim 1, the fuel gas adjustment for adjusting the temperature of the outlet portion to be different from the temperature of the gas inlet portion of the fuel gas. A cooling water channel is provided.
[0018]
Therefore, in the invention described in claim 2, not only the gas outlet portion of the oxidant gas but also the gas outlet portion of the fuel gas, the gas temperature of the gas outlet portion is set to a temperature different from the gas temperature of the gas inlet portion. Thus, moisture contained in the fuel gas can be aggregated and recovered. In this way, by providing an independent cooling water channel for the gas outlet portion of the fuel gas as well, the supply of moisture utilizing the difference in moisture content to both the inlet portions of the gas having a low water content. Can be performed on both sides of the electrolyte membrane.
[0019]
Moreover, since both the humidified fuel gas and the oxidant gas bring moisture into the cell central portion, the drying operation of the membrane electrode assembly can be further suppressed. For this reason, it is possible to further suppress the deterioration of the cell characteristics and to stably generate power.
[0020]
The invention according to claim 3 is the fuel cell according to claim 1 or 2, wherein the cooling water channel for adjusting the oxidant gas and / or the cooling water channel for adjusting the fuel gas is the catalyst layer in the membrane electrode assembly. Is arranged so as to be located outside the region where is arranged.
[0021]
Therefore, in the invention according to claim 3, since the cooling water channel for adjusting the oxidant gas and the water channel for adjusting the fuel gas are provided outside the region of the catalyst layer in the membrane electrode assembly, the cooling of these cooling water channels for adjustment is applied to the membrane electrode assembly. Thus, the cell operating temperature can be maintained at a temperature suitable for the power generation efficiency, and as a result, the efficiency of the entire fuel cell can be improved.
[0022]
Further, in the invention according to claim 3, since it is possible to cool a portion having a large flow path width for supplying gas to the gas flow path, the wetted electrode (where the aggregated water penetrates the pores of the electrode and the diffusion layer) The occurrence of flooding can be prevented, gas diffusibility can be reduced, and deterioration of cell characteristics can be suppressed.
[0023]
In general, in a portion where the temperature is lowered due to water aggregation, the temperature is lower than that in the central portion, so that the power generation efficiency is lower than that in the central portion, and the stability of the entire cell is impaired. In this invention, since the adjustment cooling water channel is not overlapped with the catalyst application part necessary for power generation, the catalyst can be used effectively. Thereby, the stability of the operation of the fuel cell can be increased, and the use of an excess catalyst can be suppressed.
[0024]
A fourth aspect of the present invention is the fuel cell according to any one of the first to third aspects, wherein the exhaust heat cooling water channel, the oxidant gas adjustment cooling water channel, and the fuel gas adjustment. The cooling water channel is connected to a separate temperature control system.
[0025]
Therefore, in the invention according to claim 4, since the temperature of the cooling water channel for adjustment can be maintained at a suitable temperature in accordance with the load fluctuation, it is possible to suppress a reduction in the power generation efficiency of the fuel cell.
[0026]
The invention according to claim 5 is the fuel cell according to any one of claims 1 to 3, wherein the exhaust heat cooling water channel and the adjustment cooling water channel are connected to the same temperature control system. It is characterized by that.
[0027]
Therefore, in the invention described in claim 5, the configuration of the fuel cell can be simplified by using the same temperature control system. Further, even in gas-powered power generation in which humidification is suppressed, the fuel cell can be made more compact without causing deterioration in cell characteristics and with high power generation efficiency.
[0028]
A sixth aspect of the invention is the fuel cell according to any one of the first to fifth aspects, wherein the fuel cell is mounted on an automobile.
[0029]
In the invention of claim 6, since the automobile is equipped with a fuel cell in which humidification is suppressed, the automobile itself can be made compact.
[0030]
【The invention's effect】
According to the first aspect of the present invention, the gas temperature at the gas outlet portion of the oxidant gas having a high water content is set to a temperature different from the gas temperature at the gas inlet portion, so that the water scattered in the gas is aggregated and recovered. can do. Then, by collecting the water by lowering the gas temperature at the gas outlet portion below the gas temperature at the gas inlet portion, the moisture to the gas inlet portion of the fuel gas with a low water content installed on the opposite side of the electrolyte membrane It is possible to increase the concentration difference between the amounts, and to promote the supply of water from the gas outlet side of the oxidant gas to the gas inlet side through the electrolyte membrane.
[0031]
In addition, since the humidified fuel gas entrains moisture in the center of the cell, drying of the membrane electrode assembly can be suppressed, deterioration of cell characteristics can be suppressed, and power generation can be performed stably.
[0032]
In addition, since the adjustment cooling water channel is provided independently of the exhaust heat cooling water channel, the operating temperature of the cell can be maintained high, so that high power generation efficiency can be maintained and the temperature difference from the outside temperature can be maintained. In addition, the exhaust heat from the fuel cell can be smoothly performed.
[0033]
According to the invention of claim 2, in addition to having the same effect as that of the invention of claim 1, also in the gas outlet portion of the fuel gas, the gas temperature of the gas outlet portion is different from the gas temperature of the gas inlet portion. Therefore, it is possible to agglomerate and collect the water scattered in the fuel gas, and to use the difference in water content for both inlet parts of the gas with a low water content. Can be supplied on the front and back of the electrolyte membrane.
[0034]
In addition, since both the humidified fuel gas and the oxidant gas entrain moisture in the center of the cell, it is possible to further suppress the dry operation of the membrane electrode assembly, and to suppress the deterioration of the cell characteristics, thereby generating power. It can be performed stably.
[0035]
According to the invention of claim 3, in addition to having the same effects as those of the inventions of claims 1 and 2, the cooling of the adjustment cooling water channel does not affect the membrane electrode assembly, and the operating temperature of the cell is reduced. The temperature suitable for the power generation efficiency can be maintained, and the efficiency of the entire fuel cell can be improved. In addition, since it is possible to cool a part having a large flow path width for supplying gas to the gas flow path, it is possible to prevent the occurrence of wetting of the electrode in which the aggregated water penetrates into the pores of the electrode and the diffusion layer. The diffusibility is lowered, and the deterioration of cell characteristics can be suppressed.
[0036]
Furthermore, since the adjustment cooling water channel does not overlap with the catalyst application part necessary for power generation, the catalyst can be used effectively, thereby improving the stability of the operation of the fuel cell, Since the use of an excess catalyst can be suppressed, the cost can be reduced.
[0037]
According to the invention of claim 4, in addition to having the same effects as those of the inventions of claims 1 to 3, the temperature of the adjustment cooling water channel can be maintained at a suitable temperature according to the load fluctuation. In addition, it is possible to suppress a decrease in efficiency of power generation of the fuel cell.
[0038]
According to the invention of claim 5, in addition to having the same effects as those of the inventions of claims 1 to 3, since the same temperature control system is used, the configuration of the fuel cell can be simplified and the humidification is performed. Even in the case of power generation with gas supply suppressed, the fuel cell can be made more compact without causing deterioration in cell characteristics and with high power generation efficiency.
[0039]
According to the invention of claim 6, in addition to having the same effects as those of the inventions of claims 1 to 5, since the automobile is equipped with a fuel cell in which humidification is suppressed, the automobile itself can be made compact. .
[0040]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, details of the fuel cell according to the present invention will be described based on each embodiment shown in the drawings.
[0041]
(First embodiment)
1 and 2 show a solid polymer electrolyte fuel cell according to a first embodiment of the present invention, FIG. 1 is a sectional view showing a part of the fuel cell, and FIG. 2 is a solid polymer electrolyte fuel cell. FIG.
[0042]
The fuel cell stack includes a membrane electrode assembly 1 and a cathode side separator 2 and an anode side separator 3 arranged so as to sandwich the membrane electrode assembly 1.
[0043]
The membrane electrode assembly 1 is formed by an electrolyte membrane 4 made of a solid polymer membrane and electrodes 5 and 6 disposed on both surfaces of the electrolyte membrane 4. The electrolyte membrane 4 is formed as a proton conductive membrane from a solid polymer material such as a fluorine resin. The two electrodes 5 and 6 disposed on both surfaces of the electrolyte membrane 4 are made of carbon cloth or carbon paper containing a catalyst made of platinum or platinum and other metals, and the surface on which the catalyst exists is in contact with the electrolyte membrane. It is formed to do. The electrode 5 functions as an oxidant electrode, and the electrode 6 functions as a fuel electrode.
[0044]
Each of the cathode side separator 2 and the anode side separator 3 is formed of a dense carbon material that is impermeable to gas, and has a large number for securing a flow path of fuel gas, oxidizing gas, or cooling medium on one side or both sides. The rib is formed. Further, a fuel gas containing hydrogen and an oxidant gas containing oxygen are sealed by a sealing region 7 along the outer edge of the separator.
[0045]
An oxidant gas flow path 8 is formed in the cathode side separator 2. An oxidant gas such as air in which humidification is suppressed is supplied to the oxidant gas flow path 8. The oxidant gas flow path 8 is formed so that the oxidant gas flows in a plane facing the membrane electrode assembly 1 in the cathode side separator 2. The oxidant gas is introduced from the gas inlet 9, flows through the oxidant gas flow path 8, and is then discharged from the gas outlet 10.
[0046]
On the other hand, a fuel gas passage 16 is formed in the anode side separator 3. A fuel gas such as hydrogen in which humidification is suppressed is supplied to the flow path 11. The fuel gas is introduced from the gas inlet 12, flows through the fuel gas passage 16, and is then discharged from the gas outlet 13. In the anode side separator 3, the fuel gas channel 16 is formed so that the fuel gas flows in the plane facing the membrane electrode assembly 1, as in the oxidant gas channel 8 of the cathode side separator 2. The oxidant gas flow path 8 and the fuel gas flow path 16 are formed so that the oxidant gas and the fuel gas are opposed to each other. That is, as shown in FIG. 1, the oxidant gas flows from the left side to the right side in the oxidant gas flow path 8 as shown by the arrow A, whereas the fuel gas flows as shown by the arrow B in the fuel gas flow. These passages are formed so as to circulate in the passage 16 from the right side to the left side.
[0047]
In the cathode side separator 2 and the anode side separator 3, the electrode assembly 1 is disposed so that the gas inlet faces the gas outlet of the counterpart separator. That is, the gas inlet 9 of the cathode side separator 2 faces the gas outlet 13 of the anode side separator 3, and the gas outlet 10 faces the gas inlet 12 of the anode side separator 3.
[0048]
An exhaust heat cooling water passage 14 for exhausting heat generated by power generation is formed in a groove shape on the surface of the cathode separator 2 opposite to the membrane electrode assembly 1.
[0049]
Further, an oxidant gas adjusting cooling water passage 15 is formed in the cathode side separator 2. The cooling water passage 15 for adjusting the oxidant gas is disposed on the gas outlet 10 side in the cathode side separator 2. Further, the oxidant gas adjusting cooling water channel 15 is a water channel independent of the exhaust heat cooling water channel 14. Further, the cooling water channel 15 for adjusting the oxidant gas is located outside the surfaces of the electrodes 4 and 5 (catalyst) in the membrane electrode assembly 1 and cools a portion where the catalyst is not disposed.
[0050]
Next, the operation of this embodiment will be described.
[0051]
In general, when the gas is supplied in a low or non-humidified state, the characteristics are significantly reduced as compared with the case of generating power by humidification. This is because the humidification is suppressed and the electrodes 4 and 5 are dried. It is considered that the resistance of the electrolyte membrane 4 is increased. In this embodiment, by supplying each gas as a counter flow with the membrane electrode assembly 1 sandwiched therebetween, the membrane electrode assembly is dried using the concentration gradient of moisture generated between the flow paths. It is possible to prevent.
[0052]
However, when power generation is performed at 70 ° C. or higher where the power generation efficiency of the fuel cell is higher and the heat removal efficiency of the heat generated in the fuel cell is higher, the amount of water taken out from the fuel cell as steam increases. Even if the gas supply is in the form of a counter flow, the membrane electrode assembly 1 is in a dry operation state and the characteristics are deteriorated.
[0053]
In this embodiment, in order to solve such a problem, an exhaust heat cooling water channel 14 for removing heat generated at the power generation site and an adjustment cooling water channel 15 for cooling the oxidant gas 10 outlet are independently provided. And each temperature can be adjusted. In other words, at the gas outlet 10 of the oxidant gas, the water discharged by agglomerating the water is collected by a dedicated oxidant gas adjusting cooling channel 15 independent of the cooling of the fuel cell. As described above, the oxidant gas containing the moisture generated on the oxidant electrode side as a vapor by power generation is recovered at the gas outlet 10, and the condensed water is passed through the electrolyte membrane 4 using the concentration difference. And let it pass. Thereby, the fuel gas supplied to the gas inlet 11 of the fuel gas flow path 16 is humidified, and the drying of the membrane electrode assembly 1 in the cell is suppressed.
[0054]
In such an embodiment, since only the vicinity of the gas outlet 10 of the oxidant gas is specifically cooled, the temperature at the membrane electrode assembly 1 involved in power generation can be kept high. Thus, since the temperature of the power generation site is increased, the power generation efficiency is increased, and the heat removal efficiency of the fuel cell is also improved, so that the solid polymer electrolyte fuel cell with improved power generation efficiency of the entire system is obtained. be able to.
[0055]
In addition, by increasing the temperature of the power generation site, the amount of saturated water vapor at that site increases, so that wetting of the electrode that penetrates the electrode of the electrode and the diffusion layer due to the generated water is suppressed, which makes it an excellent cell Characteristics can be obtained.
[0056]
(Second Embodiment)
FIG. 3 is a sectional view showing a part of a fuel cell according to a second embodiment of the present invention, and FIG. 4 is an exploded perspective view showing a basic configuration of the fuel cell.
[0057]
In this embodiment, in addition to the configuration of the first embodiment, a fuel gas adjusting cooling water channel 17 is formed in the anode-side separator 3. That is, in this embodiment, the oxidant gas adjusting cooling water passage 15 is formed in the cathode side separator 2 in the same manner as in the first embodiment, and the fuel gas adjusting cooling water passage 17 is also formed in the anode side separator 3. To do. The adjustment cooling water channel 17 is formed so as to correspond to the fuel gas outlet 13 of the anode separator 3.
[0058]
The fuel gas adjusting cooling water channel 17 of the anode side separator 3 is independent of the exhaust heat cooling water channel 14 and is also independent of the oxidant gas adjusting cooling water channel 15 of the cathode side separator 2. Therefore, the fuel gas adjusting cooling water channel 17 adjusts the temperature of the gas outlet 13 portion of the fuel gas to be different from that of the gas inlet 11 portion. This adjustment is performed by oxidizing the exhaust heat cooling water channel 14 and the cathode side separator 2. This is performed independently of the cooling water passage 15 for adjusting the agent gas. In addition, the fuel gas adjusting cooling water channel 17 of the anode-side separator 3 is disposed so as to be out of the plane of the electrodes 4 and 5 (catalyst layer) in the membrane electrode assembly 1.
[0059]
In this embodiment, in addition to the exhaust heat cooling water passage 14 and the oxidizing gas outlet cooling water passage 15 for cooling the oxidizing gas gas outlet 10 of the first embodiment, the fuel gas gas outlet 13 is cooled. Since the cooling water channel 17 for adjusting the fuel gas is provided, water recovery and gas humidification at both the gas outlets 10 and 13 can be performed with both the oxidant gas and the fuel gas, so that the membrane electrode assembly 1 is dried. Suppression can be further promoted.
[0060]
(Third embodiment)
5 and 6 show a third embodiment of the present invention. In this embodiment, as shown in FIG. 5, a fuel gas adjusting cooling water channel 19 is formed in the anode separator 3. FIG. 6 shows the cathode side separator 2, and the oxidant gas inlet manifold 21 and outlet manifold 22 are formed to correspond to the inlet manifold 24 and outlet manifold 25 of the anode side separator 3.
[0061]
5 and 6, 26 and 27 are fuel gas inlet manifolds, 28 and 29 are fuel gas outlet manifolds, 31 and 32 are cooling water inlets, and 33 and 34 are cooling water outlets.
[0062]
In this embodiment, the cathode separator 2 is configured such that the gas flow path reciprocates in the same plane as shown in FIG. Here, an independent adjustment cooling water channel 19 for cooling the gas supply outlet is formed in the anode separator 3. With this configuration, it is possible to perform humidification necessary for gas supply with the oxidant gas itself.
[0063]
(Fourth embodiment)
FIG. 7 is a fourth embodiment of the present invention, and shows a gas and cooling water distribution system in a solid polymer electrolyte fuel cell.
[0064]
In the present embodiment, the solid polymer electrolyte fuel cell has any one of the configurations of the first to third embodiments described above. Therefore, as shown in FIG. 7, the fuel cell 41 has a gas inlet 9 for the oxidizing gas, a gas outlet 10, a gas inlet 11 for the fuel gas, and a gas outlet 13.
[0065]
Further, an oxidizing gas adjusting cooling water channel 15 for adjusting the temperature of the oxidizing gas outlet 13 is formed. The oxidant gas adjusting cooling water channel 15 is connected to an oxidant gas outlet cooling system 42 provided outside the fuel cell 41 system. The oxidant gas outlet cooling system 42 has a heat exchanger 43, and heat exchange is performed outside the fuel cell 41 system.
[0066]
On the other hand, the exhaust heat cooling water channel for exhausting heat generated by power generation is connected to a fuel cell stack cooling system 44 provided outside the fuel cell 41 system. The cooling system 44 includes a heat exchanger 45 that is separate from the heat exchanger 43 of the oxidizing gas outlet cooling system 42.
[0067]
In such an embodiment, the temperature control is performed by independently circulating a cooling system for removing heat from the fuel cell main body and a cooling system for collecting moisture in the gas at the oxidant gas outlet. Thereby, the operating temperature of the fuel cell can be maintained high, and the dry operation of the membrane electrode assembly 1 can be suppressed despite the high operating temperature, and stable power generation can be achieved.
[0068]
(Fifth embodiment)
FIG. 8 shows a gas and cooling water flow system according to the fifth embodiment of the present invention.
[0069]
In this embodiment, a fuel cell stack cooling system 44 for removing heat from the independent fuel cell 41 and an oxidizing gas outlet cooling system 42 for collecting moisture in the gas at the oxidant gas outlet are provided in the stack. It is connected outside and the cooling water circulates to control the temperature. Thereby, the exit side of air or fuel can be cooled with the cooling water having a low temperature immediately after leaving the heat exchanger 45.
[0070]
In such a configuration, the system configuration of the fuel cell 41 can be simplified, and as a result, the size of the entire system can be made compact. Therefore, the power density per volume can be improved, and as a result, a stable and smaller solid polymer electrolyte fuel cell can be obtained.
[0071]
You can get a system.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a first embodiment of a fuel cell according to the present invention.
FIG. 2 is an exploded perspective view of the fuel cell according to the first embodiment.
FIG. 3 is a cross-sectional view showing a second embodiment of a fuel cell according to the present invention.
FIG. 4 is an exploded perspective view of a fuel cell according to a second embodiment.
FIG. 5 is a plan view of an anode side separator used in a third embodiment of a fuel cell according to the present invention.
FIG. 6 is a plan view of a cathode separator used in a third embodiment of the fuel cell according to the present invention.
FIG. 7 is an overall view showing a system of a fourth embodiment of a fuel cell according to the present invention.
FIG. 8 is an overall view showing a system of a fifth embodiment of a fuel cell according to the present invention.
[Explanation of symbols]
1 Membrane electrode assembly
2 Cathode side separator
3 Anode separator
4 Electrolyte membrane
5, 6 electrodes
8 Oxidizing gas flow path
9 Oxidizing gas inlet
10 Gas outlet for oxidizing gas
11 Gas inlet for fuel gas
13 Gas outlet for fuel gas
14 Cooling channel for exhaust heat
15 Cooling channel for adjusting oxidant gas
17 Cooling water channel for fuel gas adjustment

Claims

電解質膜の両面に高分子電解質を含む触媒層及び多孔質の拡散層からなる電極が配置された膜電極接合体と、
前記膜電極接合体を挟むように配置されたアノード側セパレータ及びカソード側セパレータと、
低加湿または無加湿状態の燃料ガスが前記膜電極接合体と対向する面内を流通するようにアノード側セパレータに形成された燃料ガス流路と、
低加湿または無加湿状態の酸化剤ガスが前記膜電極接合体と対向した面内を燃料ガスと対向した流れとなって流通するようにカソード側セパレータに形成された酸化剤ガス流路とを備え、
前記燃料ガス流路と前記酸化剤ガス流路のガス入口及びガス出口が膜電極接合体を挟んで対向するように配置されると共に、発電によって発生する熱を排熱する排熱用冷却水路が設けられた燃料電池であって、
前記酸化剤ガス流路のガス出口部分を冷却する酸化剤ガス調整用冷却水路が、前記排熱用冷却水路と独立して前記カソード側セパレータに形成されていることを特徴とする燃料電池。A membrane electrode assembly in which an electrode comprising a catalyst layer containing a polymer electrolyte and a porous diffusion layer is disposed on both surfaces of the electrolyte membrane;
An anode-side separator and a cathode-side separator disposed so as to sandwich the membrane electrode assembly;
A fuel gas flow path formed in the anode-side separator so that a low-humidified or non-humidified fuel gas flows in a plane facing the membrane electrode assembly;
An oxidant gas flow path formed in the cathode-side separator so that a low-humidified or non-humidified oxidant gas flows as a flow opposed to the fuel gas in a plane opposed to the membrane electrode assembly ,
An exhaust heat cooling water channel for exhausting heat generated by power generation is disposed so that the gas inlet and the gas outlet of the fuel gas channel and the oxidant gas channel are opposed to each other with the membrane electrode assembly interposed therebetween. A fuel cell provided,
A fuel cell, wherein an oxidant gas adjusting cooling water channel for cooling a gas outlet portion of the oxidant gas channel is formed in the cathode side separator independently of the exhaust heat cooling water channel.

電解質膜の両面に高分子電解質を含む触媒層及び多孔質の拡散層からなる電極が配置された膜電極接合体と、
前記膜電極接合体を挟むように配置されたアノード側セパレータ及びカソード側セパレータと、
低加湿または無加湿状態の燃料ガスが前記膜電極接合体と対向する面内を流通するように前記アノード側セパレータに形成された燃料ガス流路と、
低加湿または無加湿状態の酸化剤ガスが前記膜電極接合体と対向した面内を燃料ガスと対向した流れとなって流通するように前記カソード側セパレータに形成された酸化剤ガス流路とを備え、
前記燃料ガス流路と前記酸化剤ガス流路のガス入口及びガス出口が膜電極接合体を挟んで対向するように配置されると共に、発電によって発生する熱を排熱する排熱用冷却水路が設けられた燃料電池であって、
前記酸化剤ガス流路のガス出口部分を冷却する酸化剤ガス調整用冷却水路が前記排熱用冷却水路と独立して前記カソード側セパレータに形成されると共に、前記燃料ガス流路のガス出口部分を冷却する燃料ガス調整用冷却水路が前記排熱用冷却水路及び前記酸化剤ガス調整用冷却水路と独立して前記アノード側セパレータに形成されていることを特徴とする燃料電池。A membrane electrode assembly in which an electrode comprising a catalyst layer containing a polymer electrolyte and a porous diffusion layer is disposed on both surfaces of the electrolyte membrane;
An anode-side separator and a cathode-side separator disposed so as to sandwich the membrane electrode assembly;
A fuel gas flow path formed in the anode-side separator so that a low-humidified or non-humidified fuel gas flows in a plane facing the membrane electrode assembly;
An oxidant gas flow path formed in the cathode-side separator so that low-humidity or non-humidified oxidant gas flows as a flow opposite to the fuel gas in a plane opposite to the membrane electrode assembly; Prepared,
An exhaust heat cooling water channel for exhausting heat generated by power generation is disposed so that the gas inlet and the gas outlet of the fuel gas channel and the oxidant gas channel face each other across the membrane electrode assembly. A fuel cell provided,
An oxidant gas adjusting cooling water channel for cooling a gas outlet part of the oxidant gas channel is formed in the cathode side separator independently of the exhaust heat cooling water channel, and a gas outlet part of the fuel gas channel. A fuel cell for adjusting the temperature of the fuel gas is formed in the anode separator independently of the cooling water channel for exhaust heat and the cooling water channel for adjusting oxidant gas.

前記酸化剤ガス調整用冷却水路および／または前記燃料ガス調整用冷却水路が、前記膜電極接合体における前記触媒層が配置された領域外に位置するように配置されていることを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池。 The oxidant gas adjusting cooling water channel and / or the fuel gas adjusting cooling water channel are arranged so as to be located outside a region where the catalyst layer is arranged in the membrane electrode assembly. Item 3. The fuel cell according to Item 1 or 2.

前記排熱用冷却水路と、前記酸化剤ガス調整用冷却水路と、前記燃料ガス調整用冷却水路とが、個別の温度調整システムに接続されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池。 4. The exhaust heat cooling water channel, the oxidant gas adjustment cooling water channel, and the fuel gas adjustment cooling water channel are connected to individual temperature control systems. A fuel cell according to claim 1.

前記排熱用冷却水路と前記酸化剤ガス調整用冷却水路と前記燃料ガス調整用冷却水路とが、同じ温度調整システムに接続されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池。 4. The exhaust heat cooling water channel, the oxidant gas adjustment cooling water channel, and the fuel gas adjustment cooling water channel are connected to the same temperature adjustment system. Fuel cell.

自動車に搭載されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の燃料電池。 The fuel cell according to claim 1, wherein the fuel cell is mounted on an automobile.