JP3945136B2 - Solid polymer electrolyte fuel cell having gas flow path - Google Patents

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電解質膜の乾燥、湿潤過多を防止したガス流路を有する固体高分子電解質型燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
固体高分子電解質型燃料電池は、イオン交換膜からなる電解質膜とこの電解質膜の一面に配置された触媒層および拡散層からなる電極（アノード、燃料極）および電解質膜の他面に配置された触媒層および拡散層からなる電極（カソード、空気極）とからなる膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly ）と、アノード、カソードに燃料ガス（水素）および酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給するための流体通路または冷却媒体を流すための流路を形成するセパレータとからセルを構成し、複数のセルの積層体からモジュールを構成し、モジュールを積層してモジュール群とし、モジュール群のセル積層方向両端に、ターミナル、インシュレータ、エンドプレートを配置してスタックを構成し、スタックをスタックの外側でセル積層体積層方向に延びる締結部材（たとえば、テンションプレート）にて締め付け、固定したものからなる。
固体高分子電解質型燃料電池では、アノード側では、水素を水素イオンと電子にする反応が行われ、水素イオンは電解質膜中をカソード側に移動し、カソード側では酸素と水素イオンおよび電子（隣りのＭＥＡのアノードで生成した電子がセパレータを通してくる）から水を生成する反応が行われる。
アノード側：Ｈ2 →２Ｈ+ ＋２ｅ-
カソード側：２Ｈ+ ＋２ｅ- ＋（１／２）Ｏ2 →Ｈ2 Ｏ
カソードでは、エアは入口では乾燥しているが水生成反応により通路下流（出口）側では水蒸気分が増加し、エアの飽和水蒸気量を越えると水滴となる。一方、電解質膜中を水素イオンが移動するためには電解質膜が適当に湿潤していることが必要である。電解質膜が乾燥していると膜中のプロトンの移動を阻害し抵抗となるため性能（出力電圧）が低下する。供給エアを加湿することで電解質膜の入口側での乾きは防止できるが、出口で反応生成水による水分過多により通路の水詰まりが生じ、酸素不足になってカソード側での反応が起こりにくくなるという問題が生じる。この問題を軽減するために、ガス流路に対して種々の工夫がなされている。
たとえば、特開２０００−１２０５１は、図６に示すように、セパレータ６面内を複数のマニホールド７、８、９に連通した複数の独立したセグメント１、２、３のガス流路とし、それら複数のマニホールド７、８、９同士をスタック端で連通し直列のガス流路を構成した、ガス流路を有する固体高分子電解質型燃料電池を開示している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来のガス流路を有する固体高分子電解質型燃料電池では、セグメント１、２、３化されたガス流路は、上流側のセグメント１から下流側のセグメント３に順に隣接させてセパレータ面内に配置されているので、上流側セグメント１では電解質膜の水分がエアに持ち去られて電解質膜の乾燥が生じやすく、下流側セグメント３ではカソード側の水生成反応によって水分過多となって飽和水蒸気以上は水滴を生成し、通路の詰まり、エア不足を生じやすい。
これを模式化すると図５に示すようになる。図５では、図６のセグメント数が３であったものを、本発明実施例（セグメント数が、たとえば５）との比較に便利なように、セグメント数を５（したがって、セグメントＮｏを１、２、３、４、５としてある）にして示してある。
図５において、セグメント１では乾燥したエアにより反応生成水は持ち去られ、さらに電解質膜中からも水分が持ち去られて、上流側（入口側）で電解質膜の乾燥が生じる。電解質膜が乾燥した部分では出力電圧低下が起きる。また、セグメント２、３、４となるにつれて、反応生成水によりエア中の水蒸気分が増大していく。セグメント５では湿潤過多になり、エアの飽和水蒸気量を越える分は水滴となって、通路や電極拡散層の通気性を阻害し水詰まりを生じさせる。水詰まりが生じると、酸素の供給が不十分となり、カソード側での発電反応が円滑に行われなくなる。
本発明の目的は、電解質膜の乾燥、湿潤過多を抑制するガス流路を有する固体高分子電解質型燃料電池を提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明はつぎの通りである。
（１） 電解質膜と電極とセパレータを重ねて構成した固体高分子電解質型燃料電池を積層してスタックを構成し、
セパレータ面内に複数の互いに独立したマニホールドと５以上のセグメントに分けられたガス流路を構成し、前記複数のマニホールド同士をスタック端で直列に連通したガス流路を有する固体高分子電解質型燃料電池において、セパレータ面内にある上流側のセグメントのガス流路とそのすぐ下流のセグメントのガス流路が隣接しないように上流側のセグメントのガス流路とそのすぐ下流のセグメントのガス流路はそれらより下流側の他のセグメントのガス流路によって隔てられてセパレータ面内に配置されていることを特徴とするガス流路を有する固体高分子電解質型燃料電池。
（２） 前記５以上のセグメントが上流側から下流側に順にセグメント１、２、３、４、５の５つのセグメントを含み、前記セグメント１、２、３、４、５が、セパレータ面内に、セグメント３、４、１、５、２の順で配置されている（１）記載のガス流路を有する固体高分子電解質型燃料電池。
（３） セパレータ面内で、隣接するセグメントのガス流路同士でガス流れの向きが逆に設定されている（１）または（２）記載のガス流路を有する固体高分子電解質型燃料電池。
【０００５】
上記（１）のガス流路を有する固体高分子電解質型燃料電池では、上流側のセグメントのガス流路とそのすぐ下流のセグメントのガス流路が隣接しないようにそれらより下流側の他のセグメントのガス流路によって隔てられているので、他のセグメントのガス流路は上流側のセグメントのガス流路とそのすぐ下流のセグメントのガス流路より水蒸気分が多いから、この他のセグメントのガス流路から電解質膜およびそれに接する電極を通して水分が上流側のセグメントのガス流路とそのすぐ下流のセグメントのガス流路に移動し、上流側のセグメントのガス流路とそのすぐ下流のセグメントのガス流路に対応する電解質膜部分の乾燥が抑制される。
上記（２）のガス流路を有する固体高分子電解質型燃料電池では、下流側のセグメント４、５のガス流路から電解質膜およびそれに接する電極を通して水分が下流側のセグメントのガス流路に隣接する上流側のセグメント１、２に移動し、下流側のセグメント４、５のガス流路と電極の湿潤過多が抑制されるとともに、上流側のセグメント１、２のガス流路に対応する電解質膜の乾燥が抑制される。
上記（３）のガス流路を有する固体高分子電解質型燃料電池では、隣接するセグメントのガス流路同士でガス流れの向きが逆に設定されているので、一つのセグメントのガス流路のうち湿潤の大の部分が、それに隣接するセグメントのガス流路のうち乾燥の大の部分が隣接し合うことになり、電解質膜の乾燥抑制、ガス流路および電極拡散層の湿潤過多抑制の効果が大きい。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明のガス流路を有する固体高分子電解質型燃料電池を図１〜図４を参照して、説明する。
本発明の燃料電池は固体高分子電解質型燃料電池１０である。本発明の燃料電池１０は、たとえば燃料電池自動車に搭載される。ただし、自動車以外に用いられてもよい。
【０００７】
固体高分子電解質型燃料電池１０は、図１、図２に示すように、イオン交換膜からなる電解質膜１１とこの電解質膜１１の一面に配置された触媒層１２および拡散層１３からなる電極１４（アノード、燃料極）および電解質膜１１の他面に配置された触媒層１５および拡散層１６からなる電極１７（カソード、空気極）とからなる膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly ）と、電極１４、１７に燃料ガス（水素）および酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給するための流体通路２７および燃料電池冷却用の冷却水が流れる冷却水流路２６を形成するセパレータ１８とを重ねてセルを形成し、該セルを複数積層してモジュール１９を構成し（たとえば、２セルから１モジュールを構成し）、モジュール１９を積層してモジュール群とし、モジュール群のセル積層方向（燃料電池積層方向）両端に、ターミナル２０、インシュレータ２１、エンドプレート２２を配置してスタック２３を構成し、スタック２３を積層方向に締め付けスタック２３の外側で燃料電池積層体積層方向に延びる締結部材２４（たとえば、テンションプレート、スルーボルトなど）とボルト２５またはナットで固定したものからなる。
【０００８】
触媒層１２、１５は白金（Ｐｔ）を含むカーボン（Ｃ）からなる。拡散層１３、１６はＣからなる。
セパレータ１８は、不透過性で、通常は、カーボン（黒鉛である場合を含む）または金属または導電性樹脂の何れかからなる。以下では、セパレータ１８が、カーボン（黒鉛である場合を含む）からなる場合を示すが、これに限るものではない。
【０００９】
セパレータ１８は、燃料ガスと酸化ガス、燃料ガスと冷却水、酸化ガスと冷却水、の何れかを区画するとともに、隣り合うセルのアノードからカソードに電子が流れる電気の通路を形成している。
冷却水流路２６はセル毎に、または複数のセル毎に、設けられる。たとえば、図２に示すように２セルで１モジュールを構成するものでは、モジュール毎（２セル毎）に１つの冷却水流路２６が設けられる。
【００１０】
セパレータ１８は、燃料電池を冷却する冷却水流路を形成するとともに反応ガスの流路を形成する冷却用セパレータ１８Ａと、反応ガスの流路を形成する反応ガス用セパレータ１８Ｂとの２種類のセパレータがある。
冷却用セパレータ１８Ａは、一面に冷却水流路２６が形成され他面に反応ガス（燃料ガスまたは酸化ガス）流路２７が形成されていて、冷却水と反応ガス（燃料ガスまたは酸化ガス）とを隔てる。反応ガス用セパレータ１８Ｂは、一面に燃料ガス流路２７ａが形成され他面に酸化ガス流路２７ｂが形成されていて、燃料ガスと酸化ガスとを隔てる。
【００１１】
セパレータ１８は、通常、ほぼ四角形で、外周部にガスマニホールド２９、冷却水マニホールドを有し、外周部より内側部に冷却水流路２６および／または反応ガス流路２７が形成されている。通常、ガスマニホルード２９は、燃料ガスマニホールドと酸化ガスマニホールドに分けられ、対向する２辺に酸化ガスマニホールドが形成され、それと直交する方向の対向する２辺に燃料ガスマニホールドが形成される。そして、通常、燃料ガスと酸化ガスとは、反応ガス用セパレータ１８Ｂの表裏で、直交する方向に流れる。
【００１２】
図３は、一面に酸化ガス（空気）のガス流路２７ｂが形成され外周部の対向２辺にガス（酸化ガス）マニホールド２９が形成されているセパレータ１８を、酸化ガス流路２７ｂ側から見た場合を示す。セパレータ１８には外周部に酸化ガスマニホールドが形成された２辺と直交する２辺に燃料ガスマニホールドが形成されるが、図３では燃料ガスマニホールドの図示を省略してある。
【００１３】
図３に示すように、セパレータ面内のマニホールド（酸化ガスマニホールド）２９は、複数の互いに独立した複数のマニホールドとされており、セパレータ面内のガス流路（酸化ガス流路、すなわちエア流路）は、複数のセグメント１、２、３、４、５に分けられたガス流路２７とされている。ガス流路は溝状のガス流路から構成されていてもよいし、多数の小突起によってセパレータと電極間に形成されるスペースであってもよい。ガス流路が溝状のガス流路である場合は、各セグメント１、２、３、４、５は並行する溝状のガス流路群である。各マニホールド２９と各セグメントのガス流路とは連通している。セグメントの数は、図示例では５個の場合を示すが、個数は３個以上であれば任意である。
【００１４】
複数の独立したマニホールド２９同士はスタック端で直列に連通されている。 したがって、ガス入口から入ったガスは、各セルのセグメント１の入口側マニホールド２９からセグメント１のガス流路に入り、セグメント１の出口側マニホールド２９に出て該マニホールドを通ってスタック端内（エンドプレート内に形成した通路）に至り、スタック端内のセグメント１の出口側マニホールドからスタック端内のセグメント２の入口側マニホールドに流れる。
同じことをセグメント２に対して繰り返す。すなわち、スタック端内のセグメント２の入口側マニホールドに流れたガスは、各セルのセグメント２の入口側マニホールド２９からセグメント２のガス流路に入り、セグメント２の出口側マニホールド２９に出て該マニホールドを通ってスタック端内（エンドプレート内に形成した通路）に至り、スタック端内のセグメント２の出口側マニホールドからスタック端内のセグメント３の入口側マニホールドに流れる。
上記を順次、セグメント２、３、４、５と繰り返して、最後はスタック端内のセグメント５の出口側マニホールドから外部に出ていく。
【００１５】
各セパレータ面内のセグメント１、２、３、４、５は直列の流路を構成しており、このうちセグメント１、２は上流側のセグメントを構成し、セグメント４、５は下流側のセグメントを構成し、セグメント３は中央のセグメントとなる。
セグメント数をＮとすると、Ｎが奇数の場合は、（Ｎ＋１）／２より小のＮｏのセグメントが上流側セグメント、（Ｎ＋１）／２より大のＮｏのセグメントが上流側セグメントであり、Ｎが偶数の場合は、Ｎ／２より以下のＮｏのセグメントが上流側セグメント、Ｎ／２より大のＮｏのセグメントが上流側セグメントである。
【００１６】
本発明では、セパレータ面内にある上流側のセグメント（たとえば、セグメント１）のガス流路とそのすぐ下流のセグメント（たとえば、セグメント２）のガス流路が隣接しないように、上流側のセグメントのガス流路とそのすぐ下流のセグメントのガス流路はそれらより下流側の他のセグメント（たとえば、セグメント５）のガス流路によって隔てられてセパレータ面内に配置されており、かつセパレータ面内にある下流側のセグメント（たとえば、セグメント５）のガス流路とそのすぐ上流のセグメント（たとえば、セグメント４）のガス流路が隣接しないように下流側のセグメントのガス流路とそのすぐ上流のセグメントのガス流路はそれらより上流側にある他のセグメント（たとえば、セグメント１）のガス流路によって隔てられてセパレータ面内に配置されている。
【００１７】
したがって、セパレータ面内で、下流側のセグメント（たとえば、セグメント５、４）のガス流路は上流側のセグメント（たとえば、セグメント１、２）のガス流路に隣接して配置されており、上流側のセグメント（たとえば、セグメント１、２）のガス流路は下流側のセグメント（セグメント５、４）のガス流路に隣接して配置されている。この場合、最上流側のセグメント１と最下流側のセグメント５を隣接させることが望ましい。
【００１８】
また、セパレータ面内で、下流側のセグメント（たとえば、セグメント５）のガス流路は２つの上流側のセグメント（たとえば、セグメント１、２）のガス流路に挟まれて配置されており、上流側のセグメント（たとえば、セグメント１）のガス流路は２つの下流側のセグメント（たとえば、セグメント４、５）のガス流路に挟まれて配置されている。この場合、最下流側のセグメント５が最上流側のセグメント１と２番目に上流側のセグメント２で挟まれることが望ましく、最上流側のセグメント１が最下流側のセグメント５と２番目に下流側のセグメント４で挟まれることが望ましい。
【００１９】
図３では、セパレータ面内で、各セグメントのガス流路を同じ向きにガスが流れる場合を示してあるが、これに限らず、隣接するセグメントのガス流路同士でガス流れの向きが逆に設定されていてもよい。たとえば、図３でセグメント４、５のガスの流れを図示例と逆しに、セグメント１、２、３のガスの流れを図示例のままとしてもよい。このガス流れは、スタック端でのマニホールドの接続を選定することによって、容易に得ることができる。
【００２０】
つぎに、本発明の作用を、図３、図４を参照して、説明する。
本発明のガス流路を有する固体高分子電解質型燃料電池では、上流側のセグメント１のガス流路とそのすぐ下流のセグメント２のガス流路が隣接しないようにそれらより下流側の他のセグメント５のガス流路によって隔てられているので、他のセグメント５のガス流路は上流側のセグメントのガス流路１とそのすぐ下流のセグメント２のガス流路より湿潤度が大であるから、該他のセグメント５のガス流路から電解質膜１１およびそれに接する電極１７を通して水分が上流側のセグメント１のガス流路とそのすぐ下流のセグメント２のガス流路に移動し、上流側のセグメント１のガス流路とそのすぐ下流のセグメント２のガス流路に対応する電解質膜部分の乾燥が抑制される。これによって、電解質膜１１の乾燥による燃料電池の出力電圧低下が防止される。
【００２１】
同様に、セパレータ面内にある下流側のセグメント５のガス流路とそのすぐ上流のセグメント４のガス流路が隣接しないように下流側のセグメント５のガス流路とそのすぐ上流のセグメント４のガス流路はそれらより上流側にある他のセグメント１のガス流路によって隔てられてセパレータ面内に配置されているので、下流側のセグメント５のガス流路とそのすぐ上流のセグメント４のガス流路から電解質膜１１およびそれに接する電極１７を通して水分がそれらより上流側にある他のセグメント１のガス流路に移動し、下流側のセグメント５のガス流路とそのすぐ上流のセグメント４のガス流路および電極拡散層での湿潤過多および過剰な水滴生成が抑制される。
【００２２】
また、本発明のガス流路を有する固体高分子電解質型燃料電池では、下流側のセグメント５のガス流路は上流側のセグメント１、２のガス流路に隣接して配置されており、上流側のセグメント１のガス流路は下流側のセグメント５、４のガス流路に隣接して配置されているので、下流側のセグメント５のガス流路から電解質膜１１およびそれに接する電極１７を通して水分が下流側のセグメント５のガス流路に隣接する上流側のセグメント１、２に移動し、下流側のセグメント５のガス流路の湿潤過多が抑制されるとともに、上流側のセグメント１、２のガス流路に対応する電解質膜１１の乾燥が抑制される。
この場合、図４に示すように、湿潤防止効果は最下流側のセグメント５で最も大きく、乾燥防止効果は最上流側のセグメント１で最も大きい。
【００２３】
また、本発明のガス流路を有する固体高分子電解質型燃料電池では、セパレータ面内で、下流側のセグメント５のガス流路は２つの上流側のセグメント１、２のガス流路に挟まれて配置されており、上流側のセグメント１のガス流路は２つの下流側のセグメント４、５のガス流路に挟まれて配置されているので、下流側のセグメント５のガス流路から電解質膜１１およびそれに接する電極１７を通して水分が下流側のセグメント５を挟む上流側のセグメント１、２に移動し、下流側のセグメント５のガス流路および電極の湿潤過多および過剰な水滴生成が抑制され、上流側のセグメント１を挟む下流側のセグメント５、４から電解質膜１１およびそれに接する電極１７を通して上流側のセグメント１のガス流路へ水分が移動し、上流側のセグメント１のガス流路に対応する電解質膜１１の乾燥が抑制される。
【００２４】
また、本発明のガス流路を有する固体高分子電解質型燃料電池では、隣接するセグメントのガス流路同士でガス流れの向きが逆に設定した場合は、一つのセグメントのガス流路のうち湿潤度の大の部分が、それに隣接するセグメントのガス流路のうち乾燥の大の部分が隣接し合うことになり、電解質膜１１の乾燥抑制、通路および電極の湿潤過多抑制の効果が大きい。
【００２５】
図４に示すように、本発明のガス流路を有する固体高分子電解質型燃料電池では、水蒸気分の高いセグメントから乾燥度の高いセグメントに水分（水蒸気分）が移動するので、膜中水分量がセグメント間で均一化の方向に向かい、従来の図５に示した膜中水分量の分布に比べて均一化する。
【００２６】
【発明の効果】
請求項１のガス流路を有する固体高分子電解質型燃料電池によれば、上流側のセグメントのガス流路とそのすぐ下流のセグメントのガス流路が隣接しないようにそれらより下流側の他のセグメントのガス流路によって隔てられているので、他のセグメントのガス流路から電解質膜およびそれに接する電極を通して水分が上流側のセグメントのガス流路とそのすぐ下流のセグメントのガス流路に移動し、上流側のセグメントのガス流路とそのすぐ下流のセグメントのガス流路に対応する電解質膜部分の乾燥を抑制できる。
請求項２のガス流路を有する固体高分子電解質型燃料電池によれば、下流側のセグメント４、５のガス流路から電解質膜およびそれに接する電極を通して水分が下流側のセグメント４、５のガス流路に隣接する上流側のセグメント１、２に移動し、下流側のセグメント４、５のガス流路と電極の湿潤過多を抑制できるとともに、上流側のセグメント１、２のガス流路に対応する電解質膜の乾燥を抑制できる。
請求項３のガス流路を有する固体高分子電解質型燃料電池によれば、隣接するセグメントのガス流路同士でガス流れの向きが逆に設定されているので、一つのセグメントのガス流路のうち湿潤の大の部分が、それに隣接するセグメントのガス流路のうち乾燥の大の部分が隣接し合うことになり、電解質膜の乾燥抑制、ガス流路および電極拡散層の湿潤過多抑制の効果を大にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明実施例のガス流路を有する固体高分子電解質型燃料電池の全体概略図である。
【図２】 本発明実施例のガス流路を有する固体高分子電解質型燃料電池のモジュールの端部とその近傍の断面図である。
【図３】 本発明実施例のガス流路を有する固体高分子電解質型燃料電池のセパレータの酸化ガス流路側から見た概略正面図である。
【図４】 本発明実施例のガス流路を有する固体高分子電解質型燃料電池におけるセパレータ内セグメント間での水分のやりとりとその前後における膜中水分量を棒グラフで示したセパレータの正面図である。
【図５】 従来のガス流路を有する固体高分子電解質型燃料電池の問題を模式化して示した、各セグメントでの膜中水分量の棒グラフである。
【図６】 特開２０００−１２０５１に記載されたセパレータの正面図である。
【符号の説明】
１、２、３、４、５ セグメント
１０ （固体高分子電解質型）燃料電池
１１ 電解質膜
１２ 触媒層
１３ 拡散層
１４ 電極（アノード、燃料極）
１５ 触媒層
１６ 拡散層
１７ 電極（カソード、空気極）
１８ セパレータ
１８Ａ 冷却用セパレータ
１８Ｂ 反応ガス用セパレータ
１９ モジュール
２０ ターミナル
２１ インシュレータ
２２ エンドプレート
２３ スタック
２４ 締結部材（テンションプレート）
２５ ボルトまたはナット
２６ 冷却水流路
２７ ガス流路
２７ａ 燃料ガス流路
２７ｂ 酸化ガス流路
２９ ガスマニホルド[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a solid polymer electrolyte fuel cell having a gas flow channel that prevents excessive drying and wetting of an electrolyte membrane.
[0002]
[Prior art]
The solid polymer electrolyte fuel cell is arranged on the other side of the electrolyte membrane, which is an electrolyte membrane made of an ion exchange membrane, an electrode (anode, fuel electrode) made of a catalyst layer and a diffusion layer arranged on one side of the electrolyte membrane, and the electrolyte membrane. Membrane-Electrode Assembly (MEA) consisting of an electrode (cathode, air electrode) consisting of a catalyst layer and a diffusion layer, and fuel gas (hydrogen) and oxidizing gas (oxygen, usually air) at the anode and cathode A cell is formed from a fluid passage for supplying a liquid or a separator that forms a flow path for flowing a cooling medium, a module is formed from a stack of a plurality of cells, and the modules are stacked to form a module group. A stack is formed by arranging terminals, insulators, and end plates at both ends of the cell stacking direction. It consists of what was fastened and fixed by the fastening member (for example, tension plate) extended in a layered body lamination direction.
In a solid polymer electrolyte fuel cell, a reaction for converting hydrogen into hydrogen ions and electrons is performed on the anode side, the hydrogen ions move through the electrolyte membrane to the cathode side, and oxygen, hydrogen ions and electrons (adjacent to the cathode side). The electrons produced at the anode of the MEA come through the separator) to produce water.
Anode side: H 2 → 2H + + 2e −
Cathode side: 2H + + 2e − + (1/2) O 2 → H 2 O
At the cathode, air is dried at the inlet, but the water vapor increases on the downstream (outlet) side of the passage due to the water generation reaction, and when the amount of saturated water vapor of the air is exceeded, water droplets are formed. On the other hand, in order for hydrogen ions to move through the electrolyte membrane, the electrolyte membrane needs to be appropriately wet. When the electrolyte membrane is dry, the movement of protons in the membrane is hindered and becomes a resistance, so that the performance (output voltage) is lowered. Humidification of the supply air can prevent the electrolyte membrane from drying on the inlet side, but excess water from the reaction product water at the outlet causes clogging of the passage, resulting in insufficient oxygen and less reaction on the cathode side. The problem arises. In order to reduce this problem, various ideas have been made on the gas flow path.
For example, as shown in FIG. 6, Japanese Patent Laid-Open No. 2000-12051 discloses a plurality of independent segments 1, 2, 3 gas flow paths communicating with a plurality of manifolds 7, 8, 9 on the separator 6 surface. The solid polymer electrolyte fuel cell having a gas flow path is disclosed in which the manifolds 7, 8 and 9 are connected at the stack ends to form a serial gas flow path.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
However, in a solid polymer electrolyte fuel cell having a conventional gas flow path, the gas flow paths that are segmented 1, 2 and 3 are separated from the upstream segment 1 and the downstream segment 3 in this order. In the upstream segment 1, moisture in the electrolyte membrane is taken away by the air, and the electrolyte membrane is easily dried. In the downstream segment 3, the moisture generation reaction on the cathode side causes excessive moisture, resulting in saturated water vapor. The above produces water droplets, and the passage is clogged and air shortage tends to occur.
This is schematically shown in FIG. In FIG. 5, the number of segments in FIG. 6 is set to 5 (therefore, the segment number is set to 1, for convenience of comparison with the embodiment of the present invention (the number of segments is, for example, 5). 2, 3, 4, 5).
In FIG. 5, in segment 1, the reaction product water is taken away by the dried air, and moisture is also taken away from the electrolyte membrane, and the electrolyte membrane is dried on the upstream side (inlet side). In the portion where the electrolyte membrane is dried, the output voltage decreases. In addition, as it becomes segments 2, 3, and 4, the water vapor content in the air increases due to the reaction product water. The segment 5 becomes excessively wet, and the portion exceeding the saturated water vapor amount of the air becomes water droplets, which impedes the air permeability of the passage and the electrode diffusion layer and causes water clogging. When water clogging occurs, the supply of oxygen becomes insufficient, and the power generation reaction on the cathode side cannot be performed smoothly.
An object of the present invention is to provide a solid polymer electrolyte fuel cell having a gas flow path that suppresses excessive drying and wetting of the electrolyte membrane.
[0004]
[Means for Solving the Problems]
The present invention for achieving the above object is as follows.
(1) A stack is formed by laminating a solid polymer electrolyte fuel cell composed of an electrolyte membrane, an electrode, and a separator,
A solid polymer electrolyte fuel comprising a plurality of independent manifolds and a gas flow path divided into five or more segments in the separator surface, and a gas flow path in which the plurality of manifolds are connected in series at the stack end In the battery, the gas flow path of the upstream segment and the gas flow path of the immediately downstream segment are not adjacent to each other so that the gas flow path of the upstream segment in the separator surface and the gas flow path of the immediately downstream segment are not adjacent to each other. solid polymer electrolyte fuel cell are separated by the gas flow path of the other segments of their downstream side with a gas passage, characterized in Tei Rukoto disposed within the separator surface.
(2) The five or more segments include five segments of segments 1, 2, 3, 4, 5 in order from the upstream side to the downstream side, and the segments 1, 2, 3, 4, 5 are in the separator plane. , Segments 3, 4, 1 , 5, 2 are solid polymer electrolyte fuel cells having the gas flow path according to (1).
( 3 ) A solid polymer electrolyte fuel cell having the gas flow path according to (1) or (2) , wherein the gas flow directions of the gas flow paths of adjacent segments are set opposite to each other in the separator surface.
[0005]
In the solid polymer electrolyte fuel cell having the gas flow path of (1) above, the upstream segment gas flow path and the downstream downstream segment gas flow path are not adjacent to each other downstream segment. Since the gas flow path of the other segment has more water vapor than the gas flow path of the upstream segment and the gas flow path of the segment immediately downstream of the gas flow path of the other segment. Moisture moves from the flow path through the electrolyte membrane and the electrode in contact with it to the gas flow path of the upstream segment and the gas flow path of the segment immediately downstream thereof, and the gas flow path of the upstream segment and the gas flow of the segment immediately downstream thereof Drying of the electrolyte membrane portion corresponding to the flow path is suppressed .
On SL (2) In the polymer electrolyte fuel cell having a gas flow path, the gas flow path of the segment water downstream through electrodes in contact with the electrolyte membrane and then the gas flow path of the lower flow side of the segment 4, 5 To the upstream segments 1 and 2 , and the gas flow paths and electrodes of the downstream segments 4 and 5 are suppressed from being excessively wet, and correspond to the gas flow paths of the upstream segments 1 and 2. Drying of the electrolyte membrane is suppressed .
The solid polymer electrolyte fuel cell having a gas flow path of the upper Symbol (3), adjacent segments in a gas flow path between the direction of the gas flow because it is set in reverse, the one segment of the gas channel The majority of the wetness is the majority of the dryness of the gas flow path of the segment adjacent to it, and the effect of suppressing the drying of the electrolyte membrane and the excessive wetness of the gas flow path and the electrode diffusion layer Is big.
[0006]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, a solid polymer electrolyte fuel cell having a gas flow path of the present invention will be described with reference to FIGS.
The fuel cell of the present invention is a solid polymer electrolyte fuel cell 10. The fuel cell 10 of the present invention is mounted on, for example, a fuel cell vehicle. However, it may be used other than an automobile.
[0007]
As shown in FIGS. 1 and 2, the solid polymer electrolyte fuel cell 10 includes an electrolyte membrane 11 made of an ion exchange membrane, and an electrode 14 made up of a catalyst layer 12 and a diffusion layer 13 disposed on one surface of the electrolyte membrane 11. (Anode, fuel electrode) and a membrane-electrode assembly (MEA) comprising an electrode 17 (cathode, air electrode) comprising a catalyst layer 15 and a diffusion layer 16 disposed on the other surface of the electrolyte membrane 11; A separator 18 that forms a fluid passage 27 for supplying a fuel gas (hydrogen) and an oxidizing gas (oxygen, usually air) to the electrodes 14 and 17 and a cooling water passage 26 through which cooling water for cooling the fuel cell flows. A module is formed by stacking a plurality of cells to form a module 19 (for example, one module is formed from two cells), and the module 19 is stacked to form a module group. The stack 20 is configured by disposing the terminal 20, the insulator 21, and the end plate 22 at both ends of the module group in the cell stacking direction (fuel cell stacking direction). The stack 23 is clamped in the stacking direction, and the fuel cell is formed outside the stack 23. It consists of a fastening member 24 (for example, a tension plate, a through bolt, etc.) extending in the stacking direction of the laminate and a bolt 25 or a nut.
[0008]
The catalyst layers 12 and 15 are made of carbon (C) containing platinum (Pt). The diffusion layers 13 and 16 are made of C.
Separator 18 is impermeable and is usually made of either carbon (including the case of graphite), metal or conductive resin. Below, although the case where the separator 18 consists of carbon (including the case where it is graphite) is shown, it does not restrict to this.
[0009]
The separator 18 partitions any one of the fuel gas and the oxidizing gas, the fuel gas and the cooling water, and the oxidizing gas and the cooling water, and forms an electrical passage through which electrons flow from the anode of the adjacent cell to the cathode.
The cooling water channel 26 is provided for each cell or for each of a plurality of cells. For example, as shown in FIG. 2, in the case where one module is constituted by two cells, one cooling water flow path 26 is provided for each module (every two cells).
[0010]
The separator 18 includes two types of separators: a cooling separator 18A that forms a cooling water passage for cooling the fuel cell and a reaction gas passage, and a reaction gas separator 18B that forms a reaction gas passage. is there.
The cooling separator 18A has a cooling water flow path 26 formed on one surface and a reaction gas (fuel gas or oxidation gas) flow path 27 formed on the other surface. The cooling water and the reaction gas (fuel gas or oxidation gas) are supplied to the cooling separator 18A. Separate. The reactive gas separator 18B has a fuel gas channel 27a formed on one surface and an oxidizing gas channel 27b formed on the other surface, and separates the fuel gas and the oxidizing gas.
[0011]
The separator 18 is generally substantially rectangular, and has a gas manifold 29 and a cooling water manifold on the outer peripheral portion, and a cooling water passage 26 and / or a reaction gas passage 27 are formed on the inner side of the outer peripheral portion. Normally, the gas manifold 29 is divided into a fuel gas manifold and an oxidant gas manifold. An oxidant gas manifold is formed on two opposite sides, and a fuel gas manifold is formed on two opposite sides in a direction orthogonal thereto. In general, the fuel gas and the oxidizing gas flow in directions orthogonal to each other on the front and back of the reactive gas separator 18B.
[0012]
FIG. 3 shows the separator 18 in which the gas flow path 27b of the oxidizing gas (air) is formed on one surface and the gas (oxidizing gas) manifold 29 is formed on the two opposite sides of the outer peripheral portion when viewed from the oxidation gas flow path 27b side. Indicates the case. The separator 18 is formed with a fuel gas manifold on two sides orthogonal to the two sides on which the oxidizing gas manifold is formed on the outer periphery, but the fuel gas manifold is not shown in FIG.
[0013]
As shown in FIG. 3, the manifold (oxidizing gas manifold) 29 in the separator surface is a plurality of independent manifolds, and the gas channel (oxidizing gas channel, that is, air channel) in the separator surface. ) Is a gas flow path 27 divided into a plurality of segments 1, 2, 3, 4, and 5. The gas flow path may be constituted by a groove-shaped gas flow path, or may be a space formed between the separator and the electrode by a large number of small protrusions. When the gas flow path is a groove-shaped gas flow path, each of the segments 1, 2, 3, 4, 5 is a parallel groove-shaped gas flow path group. Each manifold 29 communicates with the gas flow path of each segment. In the illustrated example, the number of segments is five, but the number of segments is arbitrary as long as the number is three or more.
[0014]
A plurality of independent manifolds 29 communicate with each other in series at the stack end. Accordingly, the gas that has entered from the gas inlet enters the gas flow path of the segment 1 from the inlet side manifold 29 of the segment 1 of each cell, exits to the outlet side manifold 29 of the segment 1, passes through the manifold, and enters the stack end (end). Flow from the outlet side manifold of segment 1 in the stack end to the inlet side manifold of segment 2 in the stack end.
The same is repeated for segment 2. That is, the gas that has flowed to the inlet side manifold of the segment 2 in the stack end enters the gas flow path of the segment 2 from the inlet side manifold 29 of the segment 2 of each cell, and exits to the outlet side manifold 29 of the segment 2. Through the stack end (passage formed in the end plate) and flows from the outlet side manifold of the segment 2 in the stack end to the inlet side manifold of the segment 3 in the stack end.
The above is sequentially repeated with the segments 2, 3, 4, and 5, and finally the outside exits from the outlet side manifold of the segment 5 in the stack end.
[0015]
Segments 1, 2, 3, 4 and 5 in each separator surface constitute a series flow path, of which segments 1 and 2 constitute an upstream segment, and segments 4 and 5 represent a downstream segment. And segment 3 is the central segment.
When the number of segments is N, when N is an odd number, a segment with No smaller than (N + 1) / 2 is an upstream segment, a segment with No larger than (N + 1) / 2 is an upstream segment, and N is In the case of an even number, the No segment below N / 2 is the upstream segment, and the No segment larger than N / 2 is the upstream segment.
[0016]
In the present invention, the upstream segment (for example, segment 1) in the separator surface and the upstream segment (for example, segment 2) are not adjacent to each other so that the gas channel for the upstream segment (for example, segment 2) is not adjacent. The gas flow path and the gas flow path of the segment immediately downstream thereof are separated from each other by the gas flow path of the other downstream segment (for example, segment 5) and are disposed in the separator surface. The gas flow path of the downstream segment and the segment immediately upstream so that the gas flow path of a downstream segment (for example, segment 5) and the gas flow path of the immediately upstream segment (for example, segment 4) are not adjacent to each other Are separated by the gas flow paths of other segments upstream of them (eg, segment 1). It is disposed separator surface.
[0017]
Therefore, in the separator surface, the gas flow paths of the downstream segments (for example, segments 5 and 4) are arranged adjacent to the gas flow paths of the upstream segments (for example, segments 1 and 2), and the upstream The gas flow paths of the side segments (eg, segments 1 and 2) are disposed adjacent to the gas flow paths of the downstream segments (segments 5 and 4). In this case, it is desirable that the most upstream segment 1 and the most downstream segment 5 be adjacent to each other.
[0018]
Further, in the separator surface, the gas flow path of the downstream segment (for example, segment 5) is disposed between the gas flow paths of the two upstream segments (for example, segments 1 and 2). The gas flow path of the side segment (for example, segment 1) is disposed between the gas flow paths of the two downstream segments (for example, segments 4 and 5). In this case, it is desirable that the most downstream segment 5 is sandwiched between the most upstream segment 1 and the second most upstream segment 2, and the most upstream segment 1 is the most downstream segment 5 and the second most downstream. It is desirable to be sandwiched between the side segments 4.
[0019]
FIG. 3 shows the case where the gas flows in the same direction through the gas flow path of each segment within the separator surface. However, the present invention is not limited to this, and the gas flow direction is reversed between the gas flow paths of adjacent segments. It may be set. For example, in FIG. 3, the gas flows in the segments 4 and 5 may be reversed from the illustrated example, and the gas flows in the segments 1, 2 and 3 may be left as illustrated. This gas flow can be easily obtained by selecting a manifold connection at the stack end.
[0020]
Next, the operation of the present invention will be described with reference to FIGS.
In the solid polymer electrolyte fuel cell having the gas flow channel of the present invention, the gas flow channel of the upstream segment 1 and the other gas flow channel of the segment 2 immediately downstream thereof are not adjacent to each other downstream of them. Since the gas flow path of the other segment 5 has a higher wettability than the gas flow path 1 of the upstream segment and the gas flow path of the segment 2 immediately downstream thereof. Moisture moves from the gas flow path of the other segment 5 to the gas flow path of the upstream segment 1 and the gas flow path of the segment 2 immediately downstream thereof through the electrolyte membrane 11 and the electrode 17 in contact therewith. Drying of the electrolyte membrane portion corresponding to the gas flow path and the gas flow path of the segment 2 immediately downstream thereof is suppressed. This prevents a decrease in the output voltage of the fuel cell due to drying of the electrolyte membrane 11.
[0021]
Similarly, the gas flow path of the downstream segment 5 in the separator surface and the gas flow path of the segment 4 immediately upstream thereof are not adjacent to each other so that the gas flow path of the downstream segment 5 and the segment 4 immediately upstream thereof are not adjacent to each other. Since the gas flow paths are separated by the gas flow paths of the other segments 1 upstream of them and are arranged in the separator surface, the gas flow path of the downstream segment 5 and the gas of the segment 4 immediately upstream thereof are arranged. Moisture moves from the flow path through the electrolyte membrane 11 and the electrode 17 in contact therewith to the gas flow path of the other segment 1 upstream of them, and the gas flow path of the downstream segment 5 and the gas of the segment 4 immediately upstream thereof Excessive wetness and excessive water droplet generation in the flow path and the electrode diffusion layer are suppressed.
[0022]
Further, in the solid polymer electrolyte fuel cell having the gas flow path of the present invention, the gas flow path of the downstream segment 5 is disposed adjacent to the gas flow paths of the upstream segments 1 and 2, and the upstream Since the gas flow path of the segment 1 on the side is disposed adjacent to the gas flow paths of the segments 5 and 4 on the downstream side, the moisture flows from the gas flow path of the segment 5 on the downstream side through the electrolyte membrane 11 and the electrode 17 in contact therewith. Moves to the upstream segments 1 and 2 adjacent to the gas flow path of the downstream segment 5 and excessive wetting of the gas flow path of the downstream segment 5 is suppressed, and Drying of the electrolyte membrane 11 corresponding to the gas flow path is suppressed.
In this case, as shown in FIG. 4, the wet prevention effect is the largest in the segment 5 on the most downstream side, and the dry prevention effect is the greatest in the segment 1 on the most upstream side.
[0023]
In the solid polymer electrolyte fuel cell having the gas flow path of the present invention, the gas flow path of the downstream segment 5 is sandwiched between the gas flow paths of the two upstream segments 1 and 2 within the separator surface. Since the gas flow path of the upstream segment 1 is sandwiched between the gas flow paths of the two downstream segments 4 and 5, the electrolyte flows from the gas flow path of the downstream segment 5 to the electrolyte. Moisture moves to the upstream and downstream segments 1 and 2 sandwiching the downstream segment 5 through the membrane 11 and the electrode 17 in contact therewith, and excessive wetting and excessive water droplet generation in the gas flow paths and electrodes of the downstream segment 5 are suppressed. Water moves from the downstream segments 5 and 4 sandwiching the upstream segment 1 to the gas flow path of the upstream segment 1 through the electrolyte membrane 11 and the electrode 17 in contact therewith, and the upstream segment 1 Drying of the electrolyte membrane 11 corresponding to the gas flow path of cement 1 is suppressed.
[0024]
Further, in the solid polymer electrolyte fuel cell having the gas flow channel of the present invention, when the gas flow direction is set to be opposite between the gas flow channels of adjacent segments, the wet flow out of the gas flow channels of one segment is performed. The majority of the degree is that the majority of the dryness of the gas flow path of the segment adjacent thereto adjoins, and the effect of suppressing the drying of the electrolyte membrane 11 and the excessive wetting of the passages and electrodes is great.
[0025]
As shown in FIG. 4, in the solid polymer electrolyte fuel cell having the gas flow path of the present invention, moisture (water vapor content) moves from a segment with high water vapor content to a segment with high dryness. Is directed to the direction of homogenization between the segments, and becomes uniform as compared with the conventional distribution of moisture content in the film shown in FIG.
[0026]
【The invention's effect】
According to the solid polymer electrolyte fuel cell having the gas flow path of claim 1, the downstream gas flow path of the upstream segment and the downstream gas flow path of the upstream segment are not adjacent to each other. Since it is separated by the gas flow path of the segment, moisture moves from the gas flow path of the other segment to the gas flow path of the upstream segment and the gas flow path of the segment immediately downstream through the electrolyte membrane and the electrode in contact therewith. Further, drying of the electrolyte membrane portion corresponding to the gas flow path of the upstream segment and the gas flow path of the segment immediately downstream thereof can be suppressed .
According to the solid polymer electrolyte fuel cell having 請 Motomeko second gas flow path, the water through the electrode which is in contact with the electrolyte membrane and then the gas flow path of the lower flow side of the segments 4 and 5 of the downstream segment 4,5 To the upstream segments 1 and 2 adjacent to the gas flow path of the gas flow path, and can suppress excessive wetting of the gas flow paths and electrodes of the downstream segments 4 and 5 , and the gas flow paths of the upstream segments 1 and 2 Drying of the electrolyte membrane corresponding to the can be suppressed .
According to the solid polymer electrolyte fuel cell having a gas flow path 請 Motomeko 3, since the direction of the gas flow in the gas channel of the adjacent segment is set to reverse, the gas flow path of one segment Of the gas flow path of the segment adjacent to it, and most of the dryness of the gas flow paths of the adjacent segments are adjacent to each other, thereby suppressing the drying of the electrolyte membrane and the excessive wetting of the gas flow path and the electrode diffusion layer. The effect can be increased.
[Brief description of the drawings]
1 is a whole schematic view of a solid polymer electrolyte fuel cell having a gas flow path of the present invention embodiment.
2 is a cross-sectional view of a solid polymer electrolyte fuel cell module of the end portion having a gas passage of the present invention embodiment and its vicinity.
3 is a schematic front view seen from the oxidizing gas flow path side of the separators of the solid polymer electrolyte fuel cell having a gas flow path of the present invention embodiment.
FIG. 4 is a front view of a separator showing, in a bar graph, the exchange of moisture between segments in the separator and the amount of moisture in the membrane before and after the separator in a solid polymer electrolyte fuel cell having a gas flow path according to an embodiment of the present invention. .
FIG. 5 is a bar graph of the moisture content in the membrane in each segment, schematically showing the problem of a solid polymer electrolyte fuel cell having a conventional gas flow path .
FIG. 6 is a front view of a separator described in Japanese Patent Laid-Open No. 2000-12051.
[Explanation of symbols]
1, 2, 3, 4, 5 Segment 10 (Solid polymer electrolyte type) Fuel cell 11 Electrolyte membrane 12 Catalyst layer 13 Diffusion layer 14 Electrode (anode, fuel electrode)
15 Catalyst layer 16 Diffusion layer 17 Electrode (cathode, air electrode)
18 Separator 18A Cooling separator 18B Reactive gas separator 19 Module 20 Terminal 21 Insulator 22 End plate 23 Stack 24 Fastening member (tension plate)
25 Bolt or nut 26 Cooling water channel 27 Gas channel 27a Fuel gas channel 27b Oxidizing gas channel 29 Gas manifold

Claims (3)

電解質膜と電極とセパレータを重ねて構成した固体高分子電解質型燃料電池を積層してスタックを構成し、
セパレータ面内に複数の互いに独立したマニホールドと５以上のセグメントに分けられたガス流路を構成し、前記複数のマニホールド同士をスタック端で直列に連通したガス流路を有する固体高分子電解質型燃料電池において、セパレータ面内にある上流側のセグメントのガス流路とそのすぐ下流のセグメントのガス流路が隣接しないように上流側のセグメントのガス流路とそのすぐ下流のセグメントのガス流路はそれらより下流側の他のセグメントのガス流路によって隔てられてセパレータ面内に配置されていることを特徴とするガス流路を有する固体高分子電解質型燃料電池。 A stack is formed by stacking solid polymer electrolyte fuel cells composed of an electrolyte membrane, electrodes, and separator,
A solid polymer electrolyte fuel comprising a plurality of independent manifolds and a gas flow path divided into five or more segments in the separator surface, and a gas flow path in which the plurality of manifolds are connected in series at the stack end In the battery, the gas flow path of the upstream segment and the gas flow path of the immediately downstream segment are not adjacent to each other so that the gas flow path of the upstream segment in the separator surface and the gas flow path of the immediately downstream segment are not adjacent to each other. solid polymer electrolyte fuel cell are separated by the gas flow path of the other segments of their downstream side with a gas passage, characterized in Tei Rukoto disposed within the separator surface. 前記５以上のセグメントが上流側から下流側に順にセグメント１、２、３、４、５の５つのセグメントを含み、前記セグメント１、２、３、４、５が、セパレータ面内に、セグメント３、４、１、５、２の順で配置されている請求項１記載のガス流路を有する固体高分子電解質型燃料電池。 The five or more segments include five segments of segments 1, 2, 3, 4, and 5 in order from the upstream side to the downstream side, and the segments 1, 2, 3, 4, and 5 are segment 3 in the separator plane. The solid polymer electrolyte fuel cell having a gas flow path according to claim 1, which is arranged in the order of 4, 1, 5, 2. セパレータ面内で、隣接するセグメントのガス流路同士でガス流れの向きが逆に設定されている請求項１または請求項２記載のガス流路を有する固体高分子電解質型燃料電池。The solid polymer electrolyte fuel cell having a gas flow path according to claim 1 or 2 , wherein the gas flow directions of the gas flow paths of adjacent segments are set to be opposite to each other in the separator surface.
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