JP4599300B2 - Polymer electrolyte fuel cell - Google Patents

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Description

本発明は、ポータブル電源、電気自動車用電源、家庭内コージェネレーションシステム等に使用する燃料電池に関し、特に高分子電解質を用いた高分子電解質型燃料電池に関する。   The present invention relates to a fuel cell used for a portable power source, an electric vehicle power source, a domestic cogeneration system, and the like, and more particularly, to a polymer electrolyte fuel cell using a polymer electrolyte.

高分子電解質を用いた燃料電池は、水素を含有する燃料ガスと空気など酸素を含有する酸化剤ガスとを電気化学的に反応させることで、電力と熱とを同時に発生させるものである。この燃料電池は、基本的には、水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜、及び高分子電解質膜の両面に形成された一対の電極、すなわちアノードとカソードから構成される。前記の電極は、白金族金属触媒を担持したカーボン粉末を主成分とし、高分子電解質膜の表面に形成される触媒層、及び触媒層の外面に形成される、通気性と電子導電性を併せ持つガス拡散層からなる。   A fuel cell using a polymer electrolyte generates electric power and heat simultaneously by electrochemically reacting a fuel gas containing hydrogen and an oxidant gas containing oxygen such as air. This fuel cell basically includes a polymer electrolyte membrane that selectively transports hydrogen ions and a pair of electrodes formed on both sides of the polymer electrolyte membrane, that is, an anode and a cathode. The electrode is mainly composed of carbon powder carrying a platinum group metal catalyst, and has both a gas permeability and an electronic conductivity formed on the outer surface of the catalyst layer and the catalyst layer formed on the surface of the polymer electrolyte membrane. It consists of a gas diffusion layer.

電極に供給される燃料ガス及び酸化剤ガスが外にリークしたり、二種類のガスが互いに混合したりしないように、高分子電解質膜の縁部以外の部分の両面にそれぞれ電極が形成され、高分子電解質膜の縁部に各電極を囲むようにガスシール材やガスケットが配置される。これらのガスシール材やガスケットは、電極及び高分子電解質膜と一体化してあらかじめ組み立てられる。これを、ＭＥＡ（電解質膜電極接合体）と呼ぶ。ＭＥＡの両側には、ＭＥＡを機械的に固定するとともに、隣接するＭＥＡを互いに電気的に直列に接続するための導電性のセパレータが配置される。セパレータのＭＥＡと接触する部分には、電極面に反応ガスを供給し、生成水や余剰ガスを運び去るためのガス流路が形成される。ガス流路は、セパレータと別に設けることもできるが、セパレータの表面に溝を設けてガス流路とする方式が一般的である。   The electrodes are formed on both sides of the portion other than the edge of the polymer electrolyte membrane so that the fuel gas and the oxidant gas supplied to the electrode do not leak out or the two kinds of gases are mixed with each other, A gas seal material or a gasket is disposed at the edge of the polymer electrolyte membrane so as to surround each electrode. These gas seal materials and gaskets are assembled in advance by being integrated with the electrode and the polymer electrolyte membrane. This is called MEA (electrolyte membrane electrode assembly). On both sides of the MEA, conductive separators for mechanically fixing the MEA and electrically connecting adjacent MEAs to each other in series are disposed. A gas flow path for supplying reaction gas to the electrode surface and carrying away generated water and surplus gas is formed in a portion of the separator that contacts the MEA. Although the gas flow path can be provided separately from the separator, a method of providing a gas flow path by providing a groove on the surface of the separator is generally used.

このガス流路への反応ガスの供給及びガス流路からの反応ガス、生成水の排出は、セパレータにマニホールド孔と呼ばれる貫通した孔を設け、ガス流路の出入り口をこのマニホールド孔に連通して、マニホールド孔から各ガス流路に反応ガスを分配することによって行われる。燃料電池は、運転中に発熱するので、電池を良好な温度状態に維持するために、冷却水等で冷却する必要がある。通常、１〜３セル毎に、冷却水を流す冷却部が設けられる。これらのＭＥＡ、セパレータ及び冷却部を交互に重ねていき、１０〜２００セル積層した後、集電板と絶縁板を介して端板でこれを挟み、締結ロッドで両端から固定するのが一般的な積層電池の構造である。   The supply of the reaction gas to the gas flow channel and the discharge of the reaction gas and generated water from the gas flow channel are performed by providing a through-hole called a manifold hole in the separator and communicating the gas flow channel with the manifold hole. The reaction gas is distributed from the manifold hole to each gas flow path. Since the fuel cell generates heat during operation, it is necessary to cool the fuel cell with cooling water or the like in order to maintain the battery in a favorable temperature state. Usually, a cooling unit for flowing cooling water is provided for every 1 to 3 cells. These MEAs, separators, and cooling units are stacked alternately, and after stacking 10 to 200 cells, it is generally sandwiched between end plates via current collector plates and insulating plates and fixed from both ends with fastening rods. This is a structure of a laminated battery.

この種の電池の高分子電解膜質には、パーフルオロスルホン酸系の材料が使われてきた。この高分子電解質膜は、水分を含んだ状態でイオン伝導性を発現するため、通常は燃料ガスや酸化剤ガスを加湿して電池へ供給する必要がある。また、カソード側では、反応によって水が生成するため、電池の動作温度より高い露点となるように加湿されたガスが供給されると、電池内部のガス流路や電極内部で結露が発生し、水詰まりなどの現象によって電池性能が安定しなかったり、性能が低下したりする問題があった。通常、このような濡れすぎによる電池性能の低下や動作不安定が発現する現象はフラッディング現象と呼ばれる。一方、燃料電池を発電システム化する場合には、供給ガスの加湿などを含めたシステム化が必要である。システムの簡素化、システム効率の向上のためには、供給される加湿ガスの露点を少しでも低減することが好ましい。   Perfluorosulfonic acid-based materials have been used for the polymer electrolyte membrane of this type of battery. Since this polymer electrolyte membrane exhibits ionic conductivity in a state containing moisture, it is usually necessary to humidify the fuel gas or oxidant gas and supply it to the battery. In addition, on the cathode side, water is generated by the reaction, so if gas humidified so that the dew point is higher than the operating temperature of the battery is supplied, dew condensation occurs in the gas flow path inside the battery and inside the electrode, There has been a problem that the battery performance is not stabilized or the performance is lowered due to a phenomenon such as water clogging. Usually, such a phenomenon that the battery performance is deteriorated or the operation is unstable due to excessive wetting is called a flooding phenomenon. On the other hand, when a fuel cell is made into a power generation system, systemization including humidification of a supply gas is necessary. In order to simplify the system and improve system efficiency, it is preferable to reduce the dew point of the supplied humidified gas as much as possible.

以上のように、フラッディング現象の防止、システム効率の向上、システムの簡素化などの観点から、供給ガスは、電池温度に対して少し低めの露点となるように加湿して供給するのが通常であった。   As described above, from the viewpoint of preventing flooding, improving system efficiency, and simplifying the system, the supply gas is usually supplied with humidification so that the dew point is slightly lower than the battery temperature. there were.

しかしながら、電池の高性能化のためには、高分子電解質膜のイオン伝導度を向上させる必要があり、そのためには供給ガスを相対湿度１００％に近い湿度、又は相対湿度１００％以上で供給することが好ましい。また、高分子電解質膜の耐久性の観点からも、供給ガスを高加湿で供給することが好ましいことがわかった。しかし、相対湿度１００％に近い湿度のガスを供給しようとする場合、前述のフラッディング現象の発生が問題となる。つまり、供給ガスの湿度を調整することによりフラッディング現象を好適に防止することはできない。   However, in order to improve the performance of the battery, it is necessary to improve the ionic conductivity of the polymer electrolyte membrane. For this purpose, the supply gas is supplied at a humidity close to 100% relative humidity or at a relative humidity of 100% or more. It is preferable. Moreover, it turned out that it is preferable to supply supply gas with high humidification also from a viewpoint of durability of a polymer electrolyte membrane. However, when a gas having a humidity close to 100% relative humidity is to be supplied, the above-described flooding phenomenon is a problem. That is, the flooding phenomenon cannot be suitably prevented by adjusting the humidity of the supply gas.

一方、フラッディング現象を回避するためには、供給ガスのセパレータ流路部分での流速を高くして、結露した水を吹き飛ばす手法が効果的であることが知られている。しかしながら、供給ガス流速を増加させるためには、高い圧力でガスを供給することが必要となり、システム化した場合のガス供給ブロワ又はコンプレッサ等の補機動力を極端に増加させねばならないため、システム効率の悪化を招く。また、フラッディング現象がアノード側で発生すると、燃料ガスの欠乏を招き、これは電池にとって致命傷となってしまう。これは、燃料ガスが不足している状態で負荷電流が強制的に取られると、燃料のない状態で電子とプロトンを作るためにアノードの触媒を担持しているカーボンが雰囲気中の水と反応してしまうことによる。その結果、触媒層のカーボンの溶出により、アノードの触媒層が破壊されるのである。   On the other hand, in order to avoid the flooding phenomenon, it is known that a method of blowing the condensed water by increasing the flow velocity of the supply gas in the separator flow path portion is known to be effective. However, in order to increase the supply gas flow rate, it is necessary to supply the gas at a high pressure, and the power of auxiliary equipment such as a gas supply blower or a compressor in the case of systemization must be extremely increased. Invite the deterioration. In addition, when the flooding phenomenon occurs on the anode side, the fuel gas is deficient, which is fatal to the battery. This is because when the load current is forcibly taken in the absence of fuel gas, the carbon carrying the anode catalyst reacts with the water in the atmosphere to produce electrons and protons in the absence of fuel. By doing. As a result, the elution of carbon from the catalyst layer destroys the anode catalyst layer.

また、積層電池を搭載したシステムでは、商品性を考慮すると、電池を定格出力条件で運転するだけではなく、電力需要に応じて出力を抑えた低負荷運転ができることが不可欠である。低負荷運転では、効率を維持するために、燃料ガスや酸化剤ガスの利用率を定格運転と同じ条件にする必要がある。すなわち、定格運転時に対して、例えば負荷を１／２に抑えた場合、燃料ガスや酸化剤ガスの流量も１／２程度に低減しなければ、余分な燃料ガスや酸化剤ガスを使用することになるため発電効率が低下する。しかし、ガスの利用率を一定にして低負荷運転を行うと、ガス流路内のガス流速が低下し、凝縮水や生成水をセパレータ外に排出できず、上述のようなフラッディング現象が発生し、電池性能が低下したり、不安定になったりするという問題があった。   In addition, in a system equipped with a laminated battery, it is indispensable not only to operate the battery under rated output conditions but also to be able to perform a low-load operation with a reduced output according to the power demand in consideration of merchantability. In low-load operation, in order to maintain efficiency, it is necessary to make the utilization rate of fuel gas and oxidant gas the same as in rated operation. That is, when the load is reduced to ½ with respect to the rated operation, for example, excess fuel gas or oxidant gas should be used unless the flow rate of the fuel gas or oxidant gas is reduced to about ½ Therefore, the power generation efficiency decreases. However, if a low load operation is performed with a constant gas utilization rate, the gas flow rate in the gas flow path decreases, and the condensed water and product water cannot be discharged outside the separator, resulting in the flooding phenomenon described above. There are problems that the battery performance deteriorates or becomes unstable.

また、このようなフラッディング現象は、ガス流路に重力に逆らって流れる部分が存在すると、その部分で凝縮水や生成水が滞留し、より発生し易くなることが知られている。この対策としては、酸化剤ガスあるいは燃料ガスを重力に逆らわない方向に流す方法が提案されている（特許文献１及び特許文献２参照）。この方法によれば、酸化剤ガスあるいは燃料ガスを重力に対して逆らわない方向に流すことによって、凝縮水や生成水の排出をスムースに行い、フラッディングの発生を抑制することができる。
特開平１１−２３３１２６号公報 特開２００１−０６８１３１号公報 In addition, it is known that such a flooding phenomenon is more likely to occur when there is a portion that flows against the gravity in the gas flow path, and condensed water or generated water stays in that portion. As a countermeasure against this, a method of flowing an oxidant gas or a fuel gas in a direction that does not oppose gravity has been proposed (see Patent Document 1 and Patent Document 2). According to this method, by causing the oxidant gas or the fuel gas to flow in a direction that does not oppose gravity, the condensed water and generated water can be discharged smoothly, and the occurrence of flooding can be suppressed.
JP-A-11-233126 JP 2001-068131 A

ところで、一般的に、酸化剤ガス及び燃料ガスは、セル入口から出口に向って、下流になるほどガス量が減少し生成水が増加するため、相対湿度が上昇する。また、相対湿度が１００％を超える場合には、凝縮水となって水分量が増加する。これに対して冷却水は、セルへの入口部で最も温度が低く、出口部に向かうに従って高温となる。先にも述べたように、電池への供給ガスは相対湿度１００％に近い加湿状態で供給されることが必要である。通常、この冷却水は、セパレータの反応ガスが流れる主面と反対側の主面に流され、それによりセパレータを介して発熱する電極部が冷却される。ここで、もし、冷却水を反応ガスと互いに反対方向に流すと、高温の冷却水に対して相対湿度１００％まで加湿した反応ガスを供給する必要がある。また、この供給された大量の加湿水は、冷却水の温度が低い反応ガス下流部分では全て凝縮水となるため、水詰まりなどによるフラッディング現象を発生し易くなる。さらに、実際のコージェネレーションシステムにおいて、冷却水を用いて供給ガスの加湿を行う場合には、冷却水の出口温度と同じ温度までの加湿温度を上昇させることは不可能である。その結果、反応ガスの相対湿度を１００％で供給できないため、ガス入口部で高分子電解質膜に乾きが発生し、耐久性が悪化するという問題を生じる。   By the way, in general, the oxidant gas and the fuel gas increase in relative humidity because the gas amount decreases and the generated water increases toward the downstream from the cell inlet toward the outlet. Moreover, when relative humidity exceeds 100%, it becomes condensed water and a moisture content increases. On the other hand, the temperature of the cooling water is lowest at the entrance to the cell and becomes higher toward the exit. As described above, the supply gas to the battery needs to be supplied in a humidified state close to 100% relative humidity. Normally, this cooling water is flowed to the main surface opposite to the main surface through which the reaction gas of the separator flows, thereby cooling the electrode portion that generates heat through the separator. Here, if the cooling water is made to flow in the opposite direction to the reaction gas, it is necessary to supply the reaction gas humidified to 100% relative humidity with respect to the high-temperature cooling water. In addition, since the supplied large amount of humidified water becomes all condensed water in the downstream portion of the reaction gas where the temperature of the cooling water is low, flooding due to water clogging is likely to occur. Furthermore, in the actual cogeneration system, when the supply gas is humidified using the cooling water, it is impossible to increase the humidification temperature to the same temperature as the outlet temperature of the cooling water. As a result, since the relative humidity of the reaction gas cannot be supplied at 100%, the polymer electrolyte membrane dries at the gas inlet and the durability deteriorates.

さらに、この冷却水を重力方向上側から積層スタックに供給して下方向に流すと、冷却水が重力に従って冷却水の入口マニホールド孔から各冷却水流路へ分岐されるため、冷却水のマニホールド孔への入口配管に近い側のセルほど多く冷却水が流れ、冷却水の等配性が悪化する。特に、部分負荷運転時には、発電反応による発熱量が低下するため、電池の温度を一定に維持するためには冷却水の流量を絞る必要があり、それよってさらに冷却水の等配性が悪化するという問題を生じる。   Further, when this cooling water is supplied to the stack from the upper side in the gravity direction and flows downward, the cooling water is branched from the cooling water inlet manifold hole to each cooling water flow path according to the gravity. As the cell is closer to the inlet pipe, more cooling water flows, and the uniformity of the cooling water deteriorates. In particular, during partial load operation, the amount of heat generated by the power generation reaction decreases, so it is necessary to reduce the flow rate of the cooling water in order to keep the battery temperature constant, thereby further degrading the evenness of the cooling water. This causes a problem.

本発明は上記のような課題を解決するためにされたもので、フラッディング現象に対するタフネスを向上し、かつガス入口部分での電解質膜の乾きの発生を抑制して燃料電池の耐久性を向上することが可能な高分子電解質型燃料電池を提供することを第１の目的とする。   The present invention has been made to solve the above-described problems, and improves the toughness against the flooding phenomenon and improves the durability of the fuel cell by suppressing the dryness of the electrolyte membrane at the gas inlet portion. It is a first object of the present invention to provide a polymer electrolyte fuel cell that can be used.

また、冷却水の当配性を向上することが可能な高分子電解質型燃料電池を提供することを第２の目的とする。   It is a second object of the present invention to provide a polymer electrolyte fuel cell that can improve the distribution of cooling water.

上記課題を解決するため、本発明に係る高分子電解質型燃料電池は、水素イオン伝導性の高分子電解質膜と前記高分子電解質膜を挟むアノード及びカソードとを有するＭＥＡと、正面が前記アノードに接触するように前記ＭＥＡの一方の側に配置され前記正面に燃料ガスが流れる燃料ガス流路が形成された板状のアノード側セパレータと、正面が前記カソードに接触するように前記ＭＥＡの他方の側に配置され前記正面に酸化剤ガスが流れる酸化剤ガス流路が形成された板状のカソード側セパレータとを有するセルと、複数の前記セルが積層されたセルスタックと、前記セルスタックの少なくとも所定のセルの前記アノード側セパレータ及びカソード側セパレータの少なくともいずれかの背面に形成された冷却水が流れる冷却水流路と、を備え、前記燃料ガス流路、前記酸化剤ガス流路、及び前記冷却水流路は、それぞれ、前記燃料ガス、前記酸化剤ガス、及び前記冷却水が重力に逆らわないように流れるよう形成されており、前記アノード側セパレータ又は前記カソード側セパレータにおいて、前記冷却水流路に冷却水を供給する入口マニホールド孔が、前記冷却水流路への前記冷却水の流れに対し障壁となる障壁手段を有するように設けられ、前記入口マニホールド孔の前記障壁手段より上流側に位置する部分が冷却水供給配管に連通し、前記入口マニホールド孔の前記障壁手段より下流側に位置する部分が前記冷却水流路に連通しており、前記入口マニホールド孔は、前記冷却水が、一度、前記上流側に位置する部分に溜まってから、前記障壁手段を超えて、前記下流側に位置する部分に供給されるように配置されている。なお、燃料ガス、酸化剤ガス、及び冷却水が、それぞれ、マニホールド部分で重力に逆らって流れてもよい。 In order to solve the above problems, a polymer electrolyte fuel cell according to the present invention includes a MEA having a hydrogen ion conductive polymer electrolyte membrane, an anode and a cathode sandwiching the polymer electrolyte membrane, and a front surface facing the anode. A plate-like anode-side separator disposed on one side of the MEA so as to be in contact with the fuel gas flow path through which fuel gas flows on the front side; and the other side of the MEA so that the front side is in contact with the cathode A plate-like cathode-side separator having an oxidant gas flow path in which an oxidant gas flows on the front surface, a cell stack in which a plurality of the cells are stacked, and at least one of the cell stacks A cooling water flow path through which cooling water formed on at least one of the anode side separator and the cathode side separator of a predetermined cell flows. , The fuel gas flow field, the oxidant gas flow passage, and the cooling water passage, respectively, the fuel gas, the oxidizing gas, and the cooling water is formed to flow so as not defying gravity, In the anode-side separator or the cathode-side separator, an inlet manifold hole for supplying cooling water to the cooling water flow path is provided so as to have a barrier means that serves as a barrier against the flow of the cooling water to the cooling water flow path. the portion located upstream side of the barrier means of the inlet manifold hole communicates with the cooling water supply pipe communicates with a the portion located downstream the cooling water flow path from said barrier means of the inlet manifold apertures The inlet manifold hole is located on the downstream side beyond the barrier means after the cooling water has once accumulated in the portion located on the upstream side. It is arranged so as to be supplied to the portion to be. Note that the fuel gas, the oxidant gas, and the cooling water may flow against gravity in the manifold portion.

前記アノード側セパレータ又は前記カソード側セパレータにおいて、前記冷却水流路に冷却水を供給する入口マニホールド孔が、前記障壁手段として、前記セパレータを厚み方向に貫通しかつ対向する内周面の局部的な接近部から成る絞り部を有するように設けられ、前記絞り部の一方の側に位置する第１の部分が冷却水供給配管に連通し、前記絞り部の他方の側に位置する第２の部分が冷却水流路に連通していてもよい。 In the anode-side separator or the cathode-side separator, an inlet manifold hole that supplies cooling water to the cooling water flow path serves as the barrier means and locally approaches the inner peripheral surface that penetrates the separator in the thickness direction and faces the separator. A first portion located on one side of the throttle portion is in communication with a cooling water supply pipe, and a second portion located on the other side of the throttle portion is provided. You may communicate with a cooling water flow path.

前記アノード側セパレータ又は前記カソード側セパレータにおいて、前記冷却水流路に冷却水を供給する入口マニホールド孔が、前記障壁手段として、前記セパレータを厚み方向に貫通しかつ内周面の下部に周方向における段差を有するように設けられ、前記段差の下位側に位置する第１の部分が冷却水供給配管に連通し、前記段差の上位側に位置する第２の部分が冷却水流路に連通していてもよい。 In the anode-side separator or the cathode-side separator, an inlet manifold hole for supplying cooling water to the cooling water flow path, as the barrier means , penetrates the separator in the thickness direction and has a step in the circumferential direction below the inner peripheral surface. The first portion located on the lower side of the step is communicated with the cooling water supply pipe, and the second portion located on the upper side of the step is communicated with the cooling water flow path. Good.

本発明は、以上に説明したような構成を有し、第１に、高分子電解質型燃料電池において、フラッディング現象に対するタフネスを向上し、かつガス入口部分での電解質膜の乾きの発生を抑制して燃料電池の耐久性を向上できるという効果を奏する。   The present invention has the configuration as described above. First, in a polymer electrolyte fuel cell, the toughness against flooding phenomenon is improved and the occurrence of dryness of the electrolyte membrane at the gas inlet portion is suppressed. As a result, the durability of the fuel cell can be improved.

第２に、高分子電解質型燃料電池において、冷却水の当配性を向上することができるという効果を奏する。   Second, in the polymer electrolyte fuel cell, there is an effect that the distribution of cooling water can be improved.

以下、本発明の好ましい実施の形態を、図面を参照しながら説明する。
（発明の概念）
最初に本発明の概念を説明する。本件発明者は、酸化剤ガス、燃料ガス及び冷却水の電極の延在面と平行な面内における流れを重力に逆らわない方向に向けることで、凝縮水のスムースな排出を促進し、フラッディング現象に対するタフネスを向上し、かつ、ガス入口部分での電解質膜の乾きの発生を抑制し、燃料電池の耐久性を向上できるということを見いだした。本発明の第１の観点はこの知見に基づいてなされた。
また、本発明の第２の観点によれば、冷却水入口マニホールド孔に絞りや段差を設けることによって、冷却水の分配性を確保することができる。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
(Concept of invention)
First, the concept of the present invention will be described. The present inventor promotes the smooth discharge of condensed water by directing the flow in the plane parallel to the extending surface of the oxidant gas, fuel gas, and cooling water in a direction that does not oppose gravity, and the flooding phenomenon. It has been found that the durability of the fuel cell can be improved by improving the toughness of the fuel cell and suppressing the dryness of the electrolyte membrane at the gas inlet. The first aspect of the present invention was made based on this finding.
Further, according to the second aspect of the present invention, the distribution of the cooling water can be ensured by providing a throttle or a step in the cooling water inlet manifold hole.

燃料電池発電システムの商品性を高めるためには、電力需要に応じた燃料電池の負荷を、発電効率を低下させることなく変動できるようにすることが望まれる。そのためには、定格出力に対して負荷を増大させる場合には、それに見合った流量に燃料ガス及び酸化剤ガスの流量を増大させ、定格出力に対して負荷を減少させる場合には、それに見合った流量に燃料ガス及び酸化剤ガスの流量を減少させて運転する必要がある。通常、燃料電池に用いられる導電性セパレータに設けられたガス流路は、定格出力において最も適したガス流速となるように設計されている。従って、電力負荷を増大させた場合には、ガス流量の増大に伴って流路のガス流速が増大し、電力負荷を減少させる場合には、ガス流量の減少に伴って流路のガス流速が減少する。流路のガス流速が増大した場合には、供給ガスの圧力損失が増大するため、補機動力の増大により発電効率が若干は低下するものの、流路のガス流速が増大するため、セパレータのガス流路内の結露水や生成水はむしろ効率よく除去可能となり、フラッディング現象が発生することはない。   In order to improve the commerciality of the fuel cell power generation system, it is desired that the load on the fuel cell according to the power demand can be changed without reducing the power generation efficiency. To that end, when the load is increased with respect to the rated output, the flow rate of the fuel gas and the oxidant gas is increased to a flow rate corresponding to the load, and when the load is decreased with respect to the rated output, it is commensurate with it. It is necessary to operate by reducing the flow rate of the fuel gas and the oxidant gas to the flow rate. Usually, the gas flow path provided in the conductive separator used in the fuel cell is designed to have the most suitable gas flow rate at the rated output. Therefore, when the power load is increased, the gas flow rate of the flow path increases as the gas flow rate increases, and when the power load is decreased, the gas flow rate of the flow path increases as the gas flow rate decreases. Decrease. When the gas flow rate in the flow path increases, the pressure loss of the supply gas increases, and although the power generation efficiency decreases slightly due to an increase in auxiliary power, the gas flow rate in the flow path increases. Rather, condensed water and product water in the flow path can be removed efficiently, and no flooding phenomenon occurs.

しかしながら、電力負荷を減少させる場合には、ガス流量の減少に伴って流路のガス流速も減少する。流路のガス流速が減少した場合には、ガス流速の減少度合いによって、セパレータのガス流路内の結露水や生成水を効率よく除去することが困難になり、フラッディング現象が発生する。このとき、電力負荷を減少したにもかかわらず、供給ガスの流量を減少させなければ、発電出力に対する補機動力の割合が相対的に大きくなり、発電システム全体での発電効率が低下する。また、このとき燃料電池の温度を一定に維持するためには、冷却水の流量も電力負荷の増減に合わせて変化させる必要があり、特に低負荷時に冷却水の流量を絞った場合には、冷却水の等配性が損なわれる。   However, when the power load is reduced, the gas flow rate in the flow path also decreases as the gas flow rate decreases. When the gas flow rate in the flow path decreases, depending on the degree of decrease in the gas flow rate, it becomes difficult to efficiently remove condensed water and generated water in the gas flow path of the separator, and a flooding phenomenon occurs. At this time, if the flow rate of the supply gas is not decreased even though the power load is decreased, the ratio of the auxiliary power to the power generation output is relatively increased, and the power generation efficiency of the entire power generation system is decreased. At this time, in order to keep the temperature of the fuel cell constant, it is necessary to change the flow rate of the cooling water in accordance with the increase or decrease of the power load. The isotropic distribution of the cooling water is impaired.

本発明は、酸化剤ガス流路、燃料ガス流路及び冷却水流路の全ての流れを重力に逆らわない方向に流すことで、凝縮水のスムースな排出を促進してフラッディングを防止し、かつガス入口部での電解質膜の乾きを解消し、耐久性を向上する。例えば、最高負荷発電出力と最低負荷発電出力の比を４対１とする場合、ガスの利用率を一定でガス量を低下させると、流速は１／４となる。従来のセパレータでは、ガス流速が低下すると、凝縮水を重力に逆らって排出することができず、フラッディング現象が発生していた。これに対して、本発明では、酸化剤ガス及び燃料ガスが常に重力に逆らわない方向に流れるため、凝縮水のスムースな排出が可能となりフラッディングを発生しないことを見出した。また、セパレータの厚み方向から見て、最も相対湿度が低くなるガス入口部分と冷却水の入口部分を一致させることによって、電解質膜の乾きを解消できるため、耐久性を向上できることを見出した。   The present invention prevents the flooding by facilitating smooth discharge of condensed water by flowing all the flow of the oxidant gas flow path, the fuel gas flow path, and the cooling water flow path in a direction that does not oppose gravity. Eliminates drying of the electrolyte membrane at the inlet and improves durability. For example, when the ratio between the maximum load power generation output and the minimum load power generation output is 4 to 1, the flow rate becomes 1/4 when the gas utilization rate is constant and the gas amount is decreased. In the conventional separator, when the gas flow rate decreases, the condensed water cannot be discharged against the gravity, and a flooding phenomenon occurs. On the other hand, in the present invention, since the oxidant gas and the fuel gas always flow in a direction that does not oppose gravity, it has been found that the condensed water can be smoothly discharged and no flooding occurs. Further, the present inventors have found that the durability of the electrolyte membrane can be improved by matching the gas inlet portion where the relative humidity is the lowest with the inlet portion of the cooling water when viewed from the thickness direction of the separator, thereby eliminating the dryness of the electrolyte membrane.

さらに、冷却水入口マニホールド孔に絞りを設けることによって、セルスタックに供給された冷却水を、セルスタック内の複数の冷却水流路に分配する際に、冷却水の等配性を向上できることが判った。さらに、冷却水入口マニホールド孔から冷却水を各流路に分配するための各流路の入口を、冷却水入口マニホールド孔に冷却水を供給する位置よりも重力方向で高く位置させることによって、冷却水の流量を絞った場合においても、等配性を確保することが可能であり、より安定した運転が可能であることを見出した。   Furthermore, it has been found that by providing a throttle at the cooling water inlet manifold hole, the cooling water supplied to the cell stack can be improved in the uniformity of the cooling water when it is distributed to a plurality of cooling water flow paths in the cell stack. It was. Further, cooling is performed by positioning the inlet of each flow channel for distributing the cooling water from the cooling water inlet manifold hole in the gravity direction higher than the position where the cooling water is supplied to the cooling water inlet manifold hole. It has been found that even when the flow rate of water is reduced, it is possible to ensure even distribution and a more stable operation is possible.

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。
《実施の形態１》
図１２は本発明の実施の形態１に係る高分子電解質型燃料電池(以下、単に燃料電池という)の概略の構成を示す斜視図、図１３は図１２のXIII−XIII平面に沿った断面図である。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
Embodiment 1
12 is a perspective view showing a schematic configuration of a polymer electrolyte fuel cell (hereinafter simply referred to as a fuel cell) according to Embodiment 1 of the present invention, and FIG. 13 is a cross-sectional view taken along the XIII-XIII plane of FIG. It is.

図１２においては、燃料電池における上下方向を、図における上下方向として表している。なお、これは、後述する図１乃至図６においても同様である。   In FIG. 12, the vertical direction in the fuel cell is represented as the vertical direction in the figure. This also applies to FIGS. 1 to 6 described later.

図１２に示すように、本実施の形態の燃料電池はセルスタック１を有している。
セルスタック１は、板状の全体形状を有するセル２がその厚み方向に積層されてなるセル積層体１０１と、セル積層体１０１の両端に配置された第１及び第２の端板３Ａ，３Ｂと、セル積層体２と第１及び第２の端板３Ａ，３Ｂとをセル２の積層方向において締結する図示されない締結具とを有している。また、第１及び第２の端板３Ａ，３Ｂには集電端子がそれぞれ配設されているが図示を省略している。
板状のセル２は、鉛直面に平行に延在しており、従って、セル２の積層方向は水平方向となっている。 As shown in FIG. 12, the fuel cell of the present embodiment has a cell stack 1.
The cell stack 1 includes a cell laminate 101 in which cells 2 having a plate-like overall shape are laminated in the thickness direction, and first and second end plates 3A and 3B arranged at both ends of the cell laminate 101. And a fastener (not shown) that fastens the cell laminate 2 and the first and second end plates 3 </ b> A and 3 </ b> B in the stacking direction of the cells 2. The first and second end plates 3A and 3B are provided with current collecting terminals, respectively, but are not shown.
The plate-like cell 2 extends parallel to the vertical plane, and therefore the stacking direction of the cells 2 is a horizontal direction.

セル積層体１０１の一方の側部（以下、第１の側部という）の上部には、該セル積層体１０１を積層方向に貫通するように酸化剤ガス供給マニホールド４が形成されている。酸化剤ガス供給マニホールド４の一端は第１の端板３Ａに形成された貫通孔に連通し、この貫通孔に酸化剤ガス供給配管５１が接続されている。酸化剤ガス供給マニホールド４の他端は第２の端板３Ｂによって閉鎖されている。また、セル積層体１０１の他方の側部（以下、第２の側部）の下部には、該セル積層体１０１を積層方向に貫通するように酸化剤ガス排出マニホールド７が形成されている。酸化剤ガス供給マニホールド７の一端は第１の端板３Ａによって閉鎖されている。酸化剤ガス排出マニホールド７の他端は第２の端板３Ｂに形成された貫通孔に連通し、この貫通孔に酸化剤ガス排出配管５２が接続されている。
セル積層体１０１の第２の側部の上部には、該セル積層体１０１を積層方向に貫通するように燃料ガス供給マニホールド５が形成されている。燃料ガス供給マニホールド５の一端は第１の端板３Ａに形成された貫通孔に連通し、この貫通孔に燃料ガス供給配管５３が接続されている。燃料ガス供給マニホールド５の他端は第２の端板３Ｂによって閉鎖されている。また、セル積層体１０１の第１の側部の下部には、該セル積層体１０１を積層方向に貫通するように燃料ガス排出マニホールド６が形成されている。燃料ガス排出マニホールド６の一端は第１の端板３Ａによって閉鎖されている。燃料ガス供給マニホールド５の他端は第２の端板３Ｂに形成された貫通孔に連通し、この貫通孔に燃料ガス排出配管５４が接続されている。 An oxidant gas supply manifold 4 is formed on an upper portion of one side portion (hereinafter referred to as a first side portion) of the cell stack 101 so as to penetrate the cell stack 101 in the stacking direction. One end of the oxidant gas supply manifold 4 communicates with a through hole formed in the first end plate 3A, and an oxidant gas supply pipe 51 is connected to the through hole. The other end of the oxidant gas supply manifold 4 is closed by a second end plate 3B. In addition, an oxidant gas discharge manifold 7 is formed below the other side portion (hereinafter, second side portion) of the cell stack 101 so as to penetrate the cell stack 101 in the stacking direction. One end of the oxidant gas supply manifold 7 is closed by the first end plate 3A. The other end of the oxidant gas discharge manifold 7 communicates with a through hole formed in the second end plate 3B, and an oxidant gas discharge pipe 52 is connected to the through hole.
A fuel gas supply manifold 5 is formed above the second side portion of the cell stack 101 so as to penetrate the cell stack 101 in the stacking direction. One end of the fuel gas supply manifold 5 communicates with a through hole formed in the first end plate 3A, and a fuel gas supply pipe 53 is connected to the through hole. The other end of the fuel gas supply manifold 5 is closed by a second end plate 3B. Further, a fuel gas discharge manifold 6 is formed below the first side portion of the cell stack 101 so as to penetrate the cell stack 101 in the stacking direction. One end of the fuel gas discharge manifold 6 is closed by the first end plate 3A. The other end of the fuel gas supply manifold 5 communicates with a through hole formed in the second end plate 3B, and a fuel gas discharge pipe 54 is connected to the through hole.

酸化剤ガス供給マニホールド４の上部の内側には、セル積層体１０１を積層方向に貫通するように冷却水供給マニホールド８が形成されている。冷却水供給マニホールド８の一端は第１の端板３Ａに形成された貫通孔に連通し、この貫通孔に冷却水供給配管３０が接続されている。冷却水供給マニホールド８の他端は第２の端板３Ｂによって閉鎖されている。また、酸化剤ガス排出マニホールド７の下部の内側には、セル積層体１０１を積層方向に貫通するように冷却水排出マニホールド９が形成されている。冷却水排出マニホールド９の一端は第１の端板３Ａによって閉鎖されている。冷却水排出マニホールド９の他端は第２の端板３Ｂに形成された貫通孔に連通し、この貫通孔に冷却水排出配管３１が接続されている。冷却水供給マニホールド８及び冷却水排出マニホールド９は、ここでは、水平方向に長い長孔形状（矩形の対抗する直線の２辺が半円の２辺に置換された形状）の断面形状を有している。   A cooling water supply manifold 8 is formed inside the upper portion of the oxidant gas supply manifold 4 so as to penetrate the cell stack 101 in the stacking direction. One end of the cooling water supply manifold 8 communicates with a through hole formed in the first end plate 3A, and a cooling water supply pipe 30 is connected to the through hole. The other end of the cooling water supply manifold 8 is closed by the second end plate 3B. A cooling water discharge manifold 9 is formed inside the lower portion of the oxidant gas discharge manifold 7 so as to penetrate the cell stack 101 in the stacking direction. One end of the cooling water discharge manifold 9 is closed by the first end plate 3A. The other end of the cooling water discharge manifold 9 communicates with a through hole formed in the second end plate 3B, and a cooling water discharge pipe 31 is connected to the through hole. Here, the cooling water supply manifold 8 and the cooling water discharge manifold 9 have a cross-sectional shape that is a long hole shape that is long in the horizontal direction (a shape in which two opposite sides of the rectangle are replaced with two semicircular sides). ing.

図１３に示すように、セル２は、板状のＭＥＡ４３と、ＭＡ４３の両主面に接触するように配置されたカソード側セパレータ１０及びアノード側セパレータ２０とで構成されている。そして、互いに隣接するセル２、２において、一方のセル２のカソード側セパレータ１０の背面と他方のセル２のアノード側セパレータ２０の背面とが接触するようにして、セル２が積層されている。ＭＥＡ４３、カソード側セパレータ１０、及びアノード側セパレータ２０は、互いに同じ大きさの同じ形状（ここでは矩形）に形成されている。そして、ＭＥＡ４３、カソード側セパレータ１０、及びアノード側セパレータ２０には、互いに対応する所定の箇所に、これらを厚み方向に貫通する、酸化剤の入口マニホールド孔、酸化剤の出口マニホールド孔、燃料の入口マニホールド孔、燃料の出口マニホールド孔、冷却水の入口マニホールド孔、及び冷却水の出口マニホールド孔が形成され、全てのセル２におけるＭＥＡ４３、カソード側セパレータ１０、及びアノード側セパレータ２０の、酸化剤の入口マニホールド孔、酸化剤の出口マニホールド孔、燃料の入口マニホールド孔、燃料の出口マニホールド孔、冷却水の入口マニホールド孔、及び冷却水の出口マニホールド孔が、それぞれ繋がって、酸化剤供給マニホールド４、酸化剤排出マニホールド７、燃料供給マニホールド５、燃料排出マニホールド６、冷却水供給ニホールド８、及び冷却水排出マニホールド９が、それぞれ形成されている。   As shown in FIG. 13, the cell 2 includes a plate-like MEA 43 and a cathode-side separator 10 and an anode-side separator 20 that are disposed so as to be in contact with both main surfaces of the MA 43. In the cells 2 and 2 adjacent to each other, the cells 2 are stacked such that the back surface of the cathode-side separator 10 of one cell 2 and the back surface of the anode-side separator 20 of the other cell 2 are in contact with each other. The MEA 43, the cathode-side separator 10, and the anode-side separator 20 are formed in the same shape (here, a rectangle) having the same size. The MEA 43, the cathode-side separator 10, and the anode-side separator 20 are formed at predetermined locations corresponding to each other through the oxidant inlet manifold hole, the oxidant outlet manifold hole, and the fuel inlet. A manifold hole, a fuel outlet manifold hole, a cooling water inlet manifold hole, and a cooling water outlet manifold hole are formed, and the oxidant inlets of the MEA 43, the cathode side separator 10, and the anode side separator 20 in all the cells 2 are formed. A manifold hole, an oxidant outlet manifold hole, a fuel inlet manifold hole, a fuel outlet manifold hole, a cooling water inlet manifold hole, and a cooling water outlet manifold hole are connected to each other to form an oxidant supply manifold 4 and an oxidant. Discharge manifold 7 and fuel supply manifold 5 Fuel discharge manifold 6, the cooling water supply in manifold 8, and the cooling water discharge manifold 9 is formed respectively.

カソード側セパレータ１０の正面及び背面には、それぞれ、酸化剤ガス流路１７及び冷却水流路１９が形成されている。酸化剤ガス流路１７は後述するように、酸化剤ガスの入口マニホールド孔と酸化剤ガスの出口マニホールド孔とを連絡するように形成され、冷却水流路１９は後述するように、冷却水の入口マニホールド孔と冷却水の出口マニホールド孔とを連絡するように形成されている。そして、カソード側セパレータ１０は、正面がＭＥＡ４３に接触するように配置されている。   An oxidant gas flow path 17 and a cooling water flow path 19 are formed on the front and back surfaces of the cathode separator 10, respectively. As will be described later, the oxidant gas flow path 17 is formed so as to connect the oxidant gas inlet manifold hole and the oxidant gas outlet manifold hole, and the cooling water flow path 19 is formed as described later. The manifold hole and the cooling water outlet manifold hole are formed so as to communicate with each other. And the cathode side separator 10 is arrange | positioned so that a front may contact MEA43.

アノード側セパレータ２０の正面及び背面には、それぞれ、燃料ガス流路２８及び冷却水流路２９が形成されている。燃料ガス流路１９は後述するように、燃料ガスの入口マニホールド孔と燃料ガスの出口マニホールド孔とを連絡するように形成され、冷却水流路２９は後述するように、冷却水の入口マニホールド孔と冷却水の出口マニホールド孔とを連絡するように形成されている。そして、アノード側セパレータ２０は、正面がＭＥＡ４３に接触するように配置されている。   A fuel gas flow path 28 and a cooling water flow path 29 are formed on the front and back surfaces of the anode-side separator 20, respectively. As will be described later, the fuel gas flow path 19 is formed so as to connect the fuel gas inlet manifold hole and the fuel gas outlet manifold hole, and the cooling water flow path 29 is connected to the cooling water inlet manifold hole, as will be described later. It is formed so as to communicate with the outlet manifold hole of the cooling water. And the anode side separator 20 is arrange | positioned so that a front may contact MEA43.

各流路１７、１９、２８、２９はカソード側セパレータ１０又はアノード側セパレータ２０の主面に形成された溝で構成されている。また、各流路１７、１９、２８、２９は、図１３では、それぞれ、２つの流路で構成されているが、多数の流路で構成されていてもよい。   Each flow path 17, 19, 28, 29 is configured by a groove formed on the main surface of the cathode separator 10 or the anode separator 20. In addition, each flow path 17, 19, 28, 29 is composed of two flow paths in FIG. 13, but may be composed of a large number of flow paths.

また、隣接するカソード側セパレータ１０の冷却水流路１９とアノード側セパレータ２０の冷却水流路２９とは、セル２が積層されたとき互いに合わさる（接合する）ように形成されており、両者で１つの冷却水流路が形成されている。
また、カソード側セパレータ１０の背面及びアノード側セパレータ２０の背面には、冷却水の入口マニホールド孔及び出口マニホールド孔並びに冷却水流路と、酸化剤の入口マニホールド孔と、酸化剤の出口マニホールド孔と、燃料の入口マニホールド孔と、燃料の出口マニホールド孔とを、それぞれ、囲むようにＯリング収容溝が形成され、その溝にＯリング４７がそれぞれ配置されている。これにより、前記のマニホールド孔等が互いにシールされている。 Further, the cooling water flow path 19 of the adjacent cathode side separator 10 and the cooling water flow path 29 of the anode side separator 20 are formed so as to be joined (joined) to each other when the cells 2 are stacked, and one of them is one. A cooling water flow path is formed.
Further, on the back surface of the cathode-side separator 10 and the back surface of the anode-side separator 20, an inlet manifold hole and an outlet manifold hole, a cooling water flow path, an oxidant inlet manifold hole, an oxidant outlet manifold hole, An O-ring housing groove is formed so as to surround the fuel inlet manifold hole and the fuel outlet manifold hole, and O-rings 47 are respectively disposed in the grooves. As a result, the manifold holes and the like are sealed with each other.

ＭＥＡ４３は、高分子電解質膜４１と、カソード４２Ａと、アノード４２Ｂと、一対のガスケット４６と、を有している。そして、高分子電解質膜４１の縁部以外の部分の両面にそれぞれカソード４２Ａ及びアノード４２Ｂが形成され、高分子電解質膜４１の縁部の両面にカソード４２Ａ及びアノード４２Ｂをそれぞれ囲むようにガスケット４６が配置されている。一対のガスケット４６、カソード４２Ａ、アノード４２Ｂ、及び高分子電解質膜４１は互いに一体化されている。   The MEA 43 includes a polymer electrolyte membrane 41, a cathode 42A, an anode 42B, and a pair of gaskets 46. Then, a cathode 42A and an anode 42B are formed on both sides of the portion other than the edge of the polymer electrolyte membrane 41, respectively, and a gasket 46 is provided on both sides of the edge of the polymer electrolyte membrane 41 so as to surround the cathode 42A and the anode 42B, respectively. Has been placed. The pair of gaskets 46, the cathode 42A, the anode 42B, and the polymer electrolyte membrane 41 are integrated with each other.

また、カソード４２Ａと、アノード４２Ｂと、カソード側セパレータ１０における酸化剤ガス流路１７が形成された領域及び冷却水流路１９が形成された領域と、アノード側セパレータ２０における燃料ガス流路２８が形成された領域及び冷却水流路２９が形成された領域とは、セル２の積層方向から見て、互いに、実質的に全体的に重なり合うように配設されている。   Further, the cathode 42A, the anode 42B, the region where the oxidant gas flow channel 17 is formed in the cathode side separator 10 and the region where the cooling water flow channel 19 is formed, and the fuel gas flow channel 28 in the anode side separator 20 are formed. The region and the region in which the cooling water flow path 29 is formed are disposed so as to substantially overlap each other when viewed from the stacking direction of the cells 2.

次に、カソード側セパレータ及びアノード側セパレータについて詳しく説明する。   Next, the cathode side separator and the anode side separator will be described in detail.

図１はカソード側セパレータの正面図、図２はその背面図、図３はアノード側セパレータの正面図、図４はその背面図である。   1 is a front view of the cathode side separator, FIG. 2 is a rear view thereof, FIG. 3 is a front view of the anode side separator, and FIG. 4 is a rear view thereof.

図１に示すように、カソード側セパレータ１０は、酸化剤ガスの入口マニホールド孔１１及び出口マニホールド孔１３、燃料ガスの入口マニホールド孔１２及び出口マニホールド孔１４並びに冷却水の入口マニホールド孔１５及び出口マニホールド孔１６を有する。セパレータ１０は、さらに、カソードと対向する面に、マニホールド孔１１と１３とを連絡するガス流路１７を有し、背面には、冷却水のマニホールド孔１５と１６を連絡する流路１９を有する。   As shown in FIG. 1, the cathode separator 10 includes an oxidant gas inlet manifold hole 11 and an outlet manifold hole 13, a fuel gas inlet manifold hole 12 and an outlet manifold hole 14, and an inlet manifold hole 15 and an outlet manifold for cooling water. It has a hole 16. The separator 10 further has a gas flow path 17 that communicates the manifold holes 11 and 13 on the surface facing the cathode, and a flow path 19 that communicates the manifold holes 15 and 16 of the cooling water on the back surface. .

図１において、酸化剤ガスの入口マニホールド孔１１はセパレータ１０の一方の側部（図面左側の側部：以下、第１の側部という）の上部に設けられ、出口マニホールド孔１３はセパレータ１０の他方の側部（図面右側の側部：以下、第２の側部という）の下部に設けられている。燃料ガスの入口マニホールド孔１２は、セパレータ１０の第２の側部の上部に設けられ、出口マニホールド孔１４はセパレータ１０の第１の側部の下部に設けられている。冷却水の入口マニホールド孔１５は酸化剤ガスの入口マニホールド孔１１の上部の内側に設けられ、出口マニホールド孔１６は酸化剤ガスの出口マニホールド孔１３の下部の内側に設けられている。冷却水マニホールド孔１５、１６は、水平方向に長い長孔形状に形成されている。   In FIG. 1, the inlet manifold hole 11 for the oxidant gas is provided in the upper part of one side of the separator 10 (the left side in the drawing: hereinafter referred to as the first side), and the outlet manifold hole 13 is formed in the separator 10. It is provided in the lower part of the other side part (the side part on the right side of the drawing: hereinafter referred to as the second side part). The fuel gas inlet manifold hole 12 is provided in the upper portion of the second side portion of the separator 10, and the outlet manifold hole 14 is provided in the lower portion of the first side portion of the separator 10. The cooling water inlet manifold hole 15 is provided inside the upper part of the oxidant gas inlet manifold hole 11, and the outlet manifold hole 16 is provided inside the lower part of the oxidant gas outlet manifold hole 13. The cooling water manifold holes 15 and 16 are formed in a long hole shape that is long in the horizontal direction.

酸化剤ガス流路１７は、本実施の形態では２つの流路で構成されている。もちろん、任意の数の流路で構成することができる。各流路は、水平方向に延びる水平部１７ａと、鉛直方向に延びる鉛直部１７ｂとで実質的に構成されている。具体的には、酸化剤ガス流路１７の各流路は、酸化剤ガスの入り口マニホールド孔１１の上部からセパレータ１０の第２の側部まで水平に延び、そこから下方にある距離延び、そこから水平にセパレータ１０の第１の側部まで水平に延び、そこから下方にある距離延びている。そして、そこから、上記の延在パターンを２回繰り返し、その到達点から酸化剤ガスの出口マニホールド孔１３の下部に至るように水平に延びている。そして、各流路の水平に延びる部分が水平部１７ａを形成し、下方に延びる部分が鉛直部１７ｂを形成している。これにより、酸化剤ガス流路１７では、酸化剤ガスが、水平部１７ａと鉛直部１７ｂとを交互に通過するようにして蛇行しながら重力に逆らわずに流れ、その結果、フラッディングが抑制される。   In this embodiment, the oxidant gas channel 17 is composed of two channels. Of course, any number of channels can be used. Each flow path is substantially composed of a horizontal portion 17a extending in the horizontal direction and a vertical portion 17b extending in the vertical direction. Specifically, each flow path of the oxidant gas flow path 17 extends horizontally from the upper part of the oxidant gas inlet manifold hole 11 to the second side of the separator 10, and extends downward from there. Extends horizontally to the first side of the separator 10 and extends downwardly there. From there, the above-mentioned extending pattern is repeated twice and extends horizontally from the reaching point to the lower part of the outlet manifold hole 13 for the oxidant gas. And the part extended horizontally of each flow path forms the horizontal part 17a, and the part extended below forms the vertical part 17b. As a result, in the oxidant gas flow path 17, the oxidant gas flows without countering gravity while meandering so as to alternately pass through the horizontal portions 17a and the vertical portions 17b, and as a result, flooding is suppressed. .

なお、各流路は、ここでは水平部１７ａと鉛直部１７ｂとで構成されているが、ガスの通流方向に向かって水平又は下り勾配（垂直を含む）となるように形成されていればよい。但し、各流路を水平部１７ａと鉛直部１７ｂとで構成すると、酸化剤ガス流路１７を高密度で形成することができる。   Here, each flow path is composed of a horizontal portion 17a and a vertical portion 17b. However, as long as each flow channel is formed to be horizontal or downwardly inclined (including vertical) in the gas flow direction. Good. However, if each channel is composed of the horizontal portion 17a and the vertical portion 17b, the oxidant gas channel 17 can be formed with high density.

図２において、冷却水流路１９は、２つの流路で構成されている。各流路は、水平方向に延びる水平部１９ａと、鉛直方向に延びる鉛直部１９ｂとで実質的に構成されている。具体的には、冷却水流路１９の各流路は、冷却水の入り口マニホールド孔１５の、酸化剤ガスの入り口マニホールド孔１１に近い方の端部からある距離下方に延び、そこから、セパレータ１０の第２の側部（図面左側の側部）まで水平に延び、そこから下方にある距離延び、そこから第１の側部（図面右側の側部）まで水平に延びている。そして、そこから、上記の延在パターンを２回半繰り返し、その到達点から冷却水の出口マニホールド孔１６の、酸化剤ガスの出口マニホールド孔１３に近い方の端部に至るように下方に延びている。そして、各流路の水平に延びる部分が水平部１９ａを形成し、下方に延びる部分が鉛直部１９ｂを形成している。これにより、冷却水流路１９では、冷却水が、水平部１９ａと鉛直部１９ｂとを交互に通過するようにして蛇行しながら重力に逆らわずに流れる。   In FIG. 2, the cooling water channel 19 is composed of two channels. Each flow path is substantially constituted by a horizontal portion 19a extending in the horizontal direction and a vertical portion 19b extending in the vertical direction. Specifically, each flow path of the cooling water flow path 19 extends downward from the end of the cooling water inlet manifold hole 15 closer to the oxidant gas inlet manifold hole 11, and from there, the separator 10. Extends horizontally to the second side (left side of the drawing), extends a distance below it, and extends horizontally from there to the first side (right side of the drawing). From there, the above extension pattern is repeated twice and a half, and extends downward from the reaching point to the end of the coolant outlet manifold hole 16 closer to the oxidant gas outlet manifold hole 13. ing. And the part extended horizontally of each flow path forms the horizontal part 19a, and the part extended below forms the vertical part 19b. Thereby, in the cooling water channel 19, the cooling water flows without countering gravity while meandering so as to alternately pass through the horizontal portions 19a and the vertical portions 19b.

そして、ここで重要なことは、以下の点である。すなわち、冷却水の入口マニホールド孔１５と酸化剤ガスの入口マニホールド孔１１とが近接して設けられ、冷却水の出口マニホールド孔１６と酸化剤ガスの出口マニホールド孔１３とが近接して設けられ、かつセパレータ１０の厚み方向から見て、冷却水流路１８が酸化剤ガス流路１７と実質的に重なるように形成されており、その結果、冷却水と酸化剤ガスとがセパレータ１０を挟んで実質的に同じ方向に流れるという点である。このように構成することにより、セパレータ１０の厚み方向から見て、最も相対湿度が低くなる酸化剤ガス入口部分と冷却水の入口部分とがほぼ一致するので、高分子電解質膜の乾きを解消することができ、ひいては高分子電解質膜の耐久性を向上することができる。   What is important here is the following point. That is, the cooling water inlet manifold hole 15 and the oxidizing gas inlet manifold hole 11 are provided close to each other, and the cooling water outlet manifold hole 16 and the oxidizing gas outlet manifold hole 13 are provided close to each other. Further, the cooling water channel 18 is formed so as to substantially overlap the oxidant gas channel 17 when viewed from the thickness direction of the separator 10, and as a result, the cooling water and the oxidant gas are substantially sandwiched between the separator 10. In the same direction. By comprising in this way, seeing from the thickness direction of the separator 10, since the oxidant gas inlet part where the relative humidity becomes the lowest and the inlet part of the cooling water substantially coincide, the drying of the polymer electrolyte membrane is eliminated. As a result, the durability of the polymer electrolyte membrane can be improved.

なお、各流路は、ここでは水平部１９ａと鉛直部１９ｂとで実質的に構成されているが、冷却水の通流方向に向かって水平又は下り勾配となるように形成されていればよい。但し、各流路を水平部１９ａと鉛直部１９ｂとで構成すると、冷却水流路１９を高密度で形成することができる。   In addition, although each flow path is substantially comprised here with the horizontal part 19a and the vertical part 19b here, it should just be formed so that it may become horizontal or a downward slope toward the flow direction of cooling water. . However, if each flow path is composed of the horizontal part 19a and the vertical part 19b, the cooling water flow path 19 can be formed with high density.

アノード側セパレータ２０は、酸化剤ガスの入口マニホールド孔２１及び出口マニホールド孔２３、燃料ガスの入口マニホールド孔２２及び出口マニホールド孔２４並びに冷却水の入口マニホールド孔２５及び出口マニホールド孔２６を有する。セパレータ２０は、さらに、アノードと対向する面に、マニホールド孔２２と２４とを連絡するガス流路２８を有し、背面には、冷却水のマニホールド孔２５と２６を連絡する流路２９を有する。   The anode separator 20 has an inlet manifold hole 21 and an outlet manifold hole 23 for oxidant gas, an inlet manifold hole 22 and an outlet manifold hole 24 for fuel gas, and an inlet manifold hole 25 and an outlet manifold hole 26 for cooling water. The separator 20 further has a gas flow path 28 that communicates the manifold holes 22 and 24 on the surface facing the anode, and a flow path 29 that communicates the manifold holes 25 and 26 of the cooling water on the back surface. .

図３において、酸化剤ガスの入口マニホールド孔２１はセパレータ２０の一方の側部（図面右側の側部：以下、第１の側部という）の上部に設けられ、出口マニホールド孔２３はセパレータ２０の他方の側部（図面左側の側部：以下、第２の側部という）の下部に設けられている。燃料ガスの入口マニホールド孔２２は、セパレータ２０の第２の側部の上部に設けられ、出口マニホールド孔２４はセパレータ２０の第１の側部の下部に設けられている。冷却水の入口マニホールド孔２５は酸化剤ガスの入口マニホールド孔２１の上部の内側に設けられ、出口マニホールド孔２６は酸化剤ガスの出口マニホールド孔２３の下部の内側に設けられている。冷却水マニホールド孔２５、２６は、水平方向に長い長孔形状に形成されている。   In FIG. 3, the inlet manifold hole 21 for the oxidant gas is provided in the upper part of one side portion of the separator 20 (the right side portion in the drawing: hereinafter referred to as the first side portion). It is provided in the lower part of the other side part (the side part on the left side of the drawing: hereinafter referred to as the second side part). The fuel gas inlet manifold hole 22 is provided in the upper portion of the second side portion of the separator 20, and the outlet manifold hole 24 is provided in the lower portion of the first side portion of the separator 20. The cooling water inlet manifold hole 25 is provided inside the upper part of the oxidant gas inlet manifold hole 21, and the outlet manifold hole 26 is provided inside the lower part of the oxidant gas outlet manifold hole 23. The cooling water manifold holes 25 and 26 are formed in a long hole shape that is long in the horizontal direction.

燃料ガス流路２８は、本実施の形態では２つの流路で構成されている。各流路は、水平方向に延びる水平部２８ａと、鉛直方向に延びる鉛直部２８ｂとで実質的に構成されている。具体的には、燃料ガス流路２８の各流路は、燃料ガスの入り口マニホールド孔２２の上部からセパレータ２０の第１の側部まで水平に延び、そこから下方にある距離延び、そこから水平にセパレータ２０の第２の側部まで水平に延び、そこから下方にある距離延びている。そして、そこから、上記の延在パターンを２回繰り返し、その到達点から燃料ガスの出口マニホールド孔２４の下部に至るように水平に延びている。そして、各流路の水平に延びる部分が水平部２８ａを形成し、下方に延びる部分が鉛直部２８ｂを形成している。これにより、燃料ガス流路２８では、燃料ガスが、水平部２８ａと鉛直部２８ｂとを交互に通過するようにして蛇行しながら重力に逆らわずに流れ、その結果、フラッディングが抑制される。   The fuel gas channel 28 is composed of two channels in the present embodiment. Each flow path is substantially composed of a horizontal portion 28a extending in the horizontal direction and a vertical portion 28b extending in the vertical direction. Specifically, each flow path of the fuel gas flow path 28 extends horizontally from the upper part of the fuel gas inlet manifold hole 22 to the first side of the separator 20, extends from there downward, and then horizontally. Extending horizontally to the second side of the separator 20 and extending downwardly therefrom. From there, the above-mentioned extending pattern is repeated twice and extends horizontally from the reaching point to the lower part of the outlet manifold hole 24 for the fuel gas. And the part extended horizontally of each flow path forms the horizontal part 28a, and the part extended below forms the vertical part 28b. Thereby, in the fuel gas flow path 28, the fuel gas flows without countering gravity while meandering so as to alternately pass through the horizontal portions 28a and the vertical portions 28b, and as a result, flooding is suppressed.

なお、各流路は、ここでは水平部２８ａと鉛直部２８ｂとで実質的に構成されているが、ガスの通流方向に向かって水平又は下り勾配（垂直を含む）となるように形成されていればよい。但し、各流路を水平部２８ａと鉛直部２８ｂとで構成すると、燃料ガス流路２８を高密度で形成することができる。   Here, each flow path is substantially composed of a horizontal portion 28a and a vertical portion 28b, but is formed to have a horizontal or downward gradient (including vertical) in the gas flow direction. It only has to be. However, if each channel is composed of the horizontal portion 28a and the vertical portion 28b, the fuel gas channel 28 can be formed with high density.

図４において、冷却水流路２９は、図２のカソードセパレータ１０の背面に形成された冷却水流路１９と図面における左右が反対になるように形成されている。すなわち、各流路は、水平方向に延びる水平部２９ａと、鉛直方向に延びる鉛直部２９ｂとで実質的に構成されている。具体的には、冷却水流路２９の各流路は、冷却水の入り口マニホールド孔２５の、酸化剤ガスの入り口マニホールド孔２１に近い方の端部からある距離下方に延び、そこから、セパレータ２０の第２の側部（図面右側の側部）まで水平に延び、そこから下方にある距離延び、そこから第１の側部（図面左側の側部）まで水平に延びている。そして、そこから、上記の延在パターンを２回半繰り返し、その到達点から冷却水の出口マニホールド孔２６の、酸化剤ガスの出口マニホールド孔２３に近い方の端部に至るように下方に延びている。そして、各流路の水平に延びる部分が水平部２９ａを形成し、下方に延びる部分が鉛直部２９ｂを形成している。これにより、冷却水流路２９では、冷却水が、水平部２９ａと鉛直部２９ｂとを交互に通過するようにして蛇行しながら重力に逆らわずに流れる。   In FIG. 4, the cooling water flow path 29 is formed so that the right and left in the drawing are opposite to the cooling water flow path 19 formed on the back surface of the cathode separator 10 in FIG. That is, each flow path is substantially composed of a horizontal portion 29a extending in the horizontal direction and a vertical portion 29b extending in the vertical direction. Specifically, each flow path of the cooling water flow path 29 extends downward from the end of the cooling water inlet manifold hole 25 closer to the oxidant gas inlet manifold hole 21 by a distance from the separator 20. Extends horizontally to the second side (the side on the right side of the drawing), extends downwardly therefrom, and then extends horizontally to the first side (the side on the left side of the drawing). From there, the above extension pattern is repeated twice and a half, and extends downward from the reaching point to the end of the coolant outlet manifold hole 26 closer to the oxidant gas outlet manifold hole 23. ing. And the part extended horizontally of each flow path forms the horizontal part 29a, and the part extended below forms the vertical part 29b. Thereby, in the cooling water flow path 29, the cooling water flows without repelling gravity while meandering so as to alternately pass through the horizontal portions 29a and the vertical portions 29b.

そして、ここで重要な点は、以下の点である。すなわち、冷却水の入口マニホールド孔２５と燃料ガスの入口マニホールド孔２２とが共にセパレータ２０の上部に設けられ、冷却水の出口マニホールド孔２６と燃料ガスの出口マニホールド孔２４とが共にセパレータ２０の下部に設けられ、かつセパレータ２０の厚み方向から見て、冷却水流路２９が燃料ガス流路２８と実質的に重なるように形成されており、その結果、冷却水と酸化剤ガスとは水平方向においてはセパレータ２０を挟んで互いに反対方向に流れるものの、鉛直方向においては、全体としては、共に、上から下へと同じ方向に流れるという点である。このように構成することにより、最も相対湿度が低くなる燃料ガス流路２８の上流部分が、セパレータ２０の鉛直方向において、冷却水の入口部分が設けられて最も温度が低い上部に位置するので、高分子電解質膜の乾きの解消に寄与し、ひいては高分子電解質膜の耐久性の向上に寄与する。   The important points here are as follows. That is, both the cooling water inlet manifold hole 25 and the fuel gas inlet manifold hole 22 are provided in the upper part of the separator 20, and both the cooling water outlet manifold hole 26 and the fuel gas outlet manifold hole 24 are provided in the lower part of the separator 20. And the cooling water passage 29 is formed so as to substantially overlap the fuel gas passage 28 when viewed from the thickness direction of the separator 20, and as a result, the cooling water and the oxidant gas are in the horizontal direction. Although they flow in opposite directions with the separator 20 in between, they flow in the same direction from top to bottom as a whole in the vertical direction. By configuring in this way, the upstream part of the fuel gas flow path 28 where the relative humidity is lowest is located in the upper part where the cooling water inlet part is provided and the temperature is lowest in the vertical direction of the separator 20. This contributes to eliminating the dryness of the polymer electrolyte membrane and, in turn, contributes to improving the durability of the polymer electrolyte membrane.

なお、各流路は、ここでは水平部２９ａと鉛直部２９ｂとで実質的に構成されているが、冷却水の通流方向に向かって水平又は下り勾配となるように形成されていればよい。但し、各流路を水平部２９ａと鉛直部２９ｂとで構成すると、冷却水流路２９を高密度で形成することができる。   In addition, although each flow path is substantially comprised here with the horizontal part 29a and the vertical part 29b here, it should just be formed so that it may become horizontal or a downward slope toward the flow direction of cooling water. . However, if each flow path is composed of the horizontal part 29a and the vertical part 29b, the cooling water flow path 29 can be formed with high density.

既述のように、上記のカソード側セパレータ１０とアノード側セパレータ２０とによりＭＥＡを挟むことによりセルが構成される。従って、隣接するセル間には、カソード側セパレータ１０とアノード側セパレータ２０とがそれらの冷却水の流路１９と２９を向き合わせて配置され、冷却部が構成される。複数セル毎に冷却部を設ける場合は、前記のような複合セパレータの代わりに、一方の面がカソード側セパレータ、他方の面がアノード側セパレータとして働く単一のセパレータが適宜用いられる。   As described above, a cell is configured by sandwiching the MEA between the cathode-side separator 10 and the anode-side separator 20. Accordingly, between adjacent cells, the cathode side separator 10 and the anode side separator 20 are arranged with their cooling water flow paths 19 and 29 facing each other to constitute a cooling unit. When providing a cooling unit for each of a plurality of cells, instead of the composite separator as described above, a single separator in which one surface serves as a cathode side separator and the other surface serves as an anode side separator is appropriately used.

次に、以上のように構成された燃料電池の燃料ガス、酸化剤ガス、及び冷却水の通流動作を説明する。   Next, the flow operation of the fuel gas, the oxidant gas, and the cooling water of the fuel cell configured as described above will be described.

図１乃至図６、図１２、及び図１４において、燃料ガスは、燃料ガス供給配管４３を通じてセルスタック１の燃料ガス供給マニホールド５に供給される。この供給された燃料ガスは、燃料ガス供給マニホールド５から、各セル２の入口マニホールド孔２２に流入し、燃料ガス流路２８を通流する。そして、この間に、アノード、高分子電解質膜、及びカソードを介して酸化剤ガスと反応して消費され、消費されなかった燃料ガスがオフガスとして出口マニホールド孔２４から燃料ガス排出マニホールド６に流出し、燃料ガス排出配管４４を通じてセルスタック１から排出される。   1 to 6, 12, and 14, the fuel gas is supplied to the fuel gas supply manifold 5 of the cell stack 1 through the fuel gas supply pipe 43. The supplied fuel gas flows from the fuel gas supply manifold 5 into the inlet manifold hole 22 of each cell 2 and flows through the fuel gas flow path 28. During this period, the fuel gas consumed by reacting with the oxidant gas via the anode, the polymer electrolyte membrane, and the cathode flows out from the outlet manifold hole 24 to the fuel gas discharge manifold 6 as an off-gas, It is discharged from the cell stack 1 through the fuel gas discharge pipe 44.

一方、酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給配管４１を通じてセルスタック１の酸化剤ガス供給マニホールド８に供給される。この供給された酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給マニホールド４から、各セル２の入口マニホールド孔１１に流入し、酸化剤ガス流路１７を通流する。そして、この間に、カソード、高分子電解質膜、及びアノードを介して燃料ガスと反応して消費され、消費されなかった酸化剤ガスが出口マニホールド孔１３から酸化剤ガス排出マニホールド７に流出し、酸化剤ガス排出配管４２を通じてセルスタック１から排出される。   On the other hand, the oxidant gas is supplied to the oxidant gas supply manifold 8 of the cell stack 1 through the oxidant gas supply pipe 41. The supplied oxidant gas flows from the oxidant gas supply manifold 4 into the inlet manifold hole 11 of each cell 2 and flows through the oxidant gas flow path 17. During this time, the oxidant gas consumed by reacting with the fuel gas via the cathode, the polymer electrolyte membrane, and the anode flows out from the outlet manifold hole 13 to the oxidant gas discharge manifold 7 and is oxidized. It is discharged from the cell stack 1 through the agent gas discharge pipe 42.

また、冷却水は、冷却水供給配管３０を通じてセルスタック１の冷却水供給マニホールド８に供給される。この供給された冷却水は、冷却水供給マニホールド８から、各セル２の入口マニホールド孔１５，２５に流入し、冷却水流路１９，２９を通流する。そして、この間に、カソードセパレータ１０及びアノードセパレータ２０を介してカソード及びアノードを冷却するとともにこれらから熱を回収して、出口マニホールド孔１６，２６から冷却水排出マニホールド９に流出し、冷却水排出配管３１を通じてセルスタック１から排出される。   Further, the cooling water is supplied to the cooling water supply manifold 8 of the cell stack 1 through the cooling water supply pipe 30. The supplied cooling water flows from the cooling water supply manifold 8 into the inlet manifold holes 15 and 25 of each cell 2 and flows through the cooling water flow paths 19 and 29. During this time, the cathode and the anode are cooled via the cathode separator 10 and the anode separator 20, and heat is recovered from these, and flows out from the outlet manifold holes 16 and 26 to the cooling water discharge manifold 9, and the cooling water discharge pipe 31 is discharged from the cell stack 1.

そして、この過程において、燃料ガス及び酸化剤ガスは、それぞれ、燃料ガス流路２８及び酸化剤ガス流路１７を、重力に逆らわないように流れ、それにより、フラッディングが防止される。   In this process, the fuel gas and the oxidant gas flow through the fuel gas flow path 28 and the oxidant gas flow path 17 so as not to oppose gravity, thereby preventing flooding.

また、各セパレータ１０，２０において、冷却水の入口近傍部に、相対湿度が最も低くなる、燃料ガス流路２８又は酸化剤ガス流路１７の上流部が位置していることから、高分子電解質膜の乾燥が防止される。
《実施の形態２》
図５は本発明の実施の形態２に係る燃料電池のアノード側セパレータの背面図である。図５において、図４と同一符号は同一又は相当する部分を示す。 Moreover, in each separator 10 and 20, since the upstream part of the fuel gas flow path 28 or the oxidant gas flow path 17 where relative humidity becomes the lowest is located near the inlet of the cooling water, the polymer electrolyte Drying of the membrane is prevented.
<< Embodiment 2 >>
FIG. 5 is a rear view of the anode separator of the fuel cell according to Embodiment 2 of the present invention. 5, the same reference numerals as those in FIG. 4 denote the same or corresponding parts.

本実施の形態では、図１２に示す実施の形態１のセルスタック１において、冷却水供給マニホールド８が、図５に示すアノード側セパレータ２０Ａの冷却水の入り口マニホールド孔２５Ａと同じ断面形状を有している。
図５に示すように、アノード側セパレータ２０Ａは、冷却水の入口マニホールド孔２５Ａが、絞り部３２によって、第１の部分３１ａと第２の部分３１ｂに区画されている。そして、図示されないが、カソード側セパレータ及びMEAの冷却水の入口マニホールド孔もこのアノード側セパレータ２０Ａの冷却水の入口マニホールド孔２５Ａと同じ形状に形成されている。この入口マニホールド孔２５Ａの第１の部分３１ａは、冷却水供給配管３０から冷却水供給マニホールド８に供給される冷却水の流通するところであり、第２の部分３１ｂは、冷却水流路２９へ冷却水を供給するところである。本実施の形態は、この他の点は、実施の形態１と同様である。 In the present embodiment, in the cell stack 1 of the first embodiment shown in FIG. 12, the cooling water supply manifold 8 has the same cross-sectional shape as the cooling water inlet manifold hole 25A of the anode separator 20A shown in FIG. ing.
As shown in FIG. 5, the anode side separator 20 </ b> A has a cooling water inlet manifold hole 25 </ b> A divided into a first portion 31 a and a second portion 31 b by a throttle portion 32. Although not shown, the cathode side separator and the cooling water inlet manifold hole of the MEA are also formed in the same shape as the cooling water inlet manifold hole 25A of the anode side separator 20A. The first portion 31 a of the inlet manifold hole 25 A is where the cooling water supplied from the cooling water supply pipe 30 to the cooling water supply manifold 8 circulates, and the second portion 31 b is supplied to the cooling water passage 29. Is about to supply. The other points of the present embodiment are the same as those of the first embodiment.

図１２及び図５を参照すると、以上のように構成された本実施の形態の燃料電池では、冷却水が、冷却水供給配管３０から冷却水供給マニホールド８の、入口マニホールド孔２５Ａの第１の部分３１ａに対応する部分に供給される。そして、この供給された冷却水は、セルスタック１の積層方向に流れながら各セル２に分配される。ここで、入り口マニホールド孔２５Ａに絞り部３２がない場合は、重力の影響によって、冷却水が冷却水供給配管３０に近いセルほど多く流れる傾向にあった。本実施の形態では、絞り部３２の効果によって、冷却水の入口マニホールド孔２５Ａに供給される冷却水は、一度絞り部３２の上流側、すなわち第１の部分３１ａ内に充満してから第２の部分３１ｂを経由して各セル２の冷却水流路２９に供給される。そのため、冷却水供給配管３０に最も近いセル２から最も遠いセル２まで均等に冷却水を分配することが可能となる。ここで、絞り部３２の冷却水が通過する方向の断面積は、冷却水流路２９の各流路の断面積の合計値に対して１〜１０倍の範囲で設計するのが好ましい。なお、絞り部３２の冷却水が通過する方向は、図５の矢印Ｘの方向、すなわち、セル２（ひいてはセパレータ２０Ａ）の延在面内における水平方向である。
《実施の形態３》
図６は本発明の実施の形態３に係る燃料電池のアノード側セパレータの背面図である。図６において、図４と同一符号は同一又は相当する部分を示す。 Referring to FIGS. 12 and 5, in the fuel cell of the present embodiment configured as described above, the cooling water is supplied from the cooling water supply pipe 30 to the first inlet manifold hole 25 </ b> A of the cooling water supply manifold 8. It is supplied to the part corresponding to the part 31a. The supplied cooling water is distributed to each cell 2 while flowing in the stacking direction of the cell stack 1. Here, when there is no throttle portion 32 in the inlet manifold hole 25 </ b> A, the cooling water tends to flow more as the cell is closer to the cooling water supply pipe 30 due to the influence of gravity. In the present embodiment, due to the effect of the throttle portion 32, the cooling water supplied to the inlet manifold hole 25A for the cooling water is once filled in the upstream side of the throttle portion 32, that is, in the first portion 31a. Is supplied to the cooling water passage 29 of each cell 2 via the portion 31b. Therefore, the cooling water can be evenly distributed from the cell 2 closest to the cooling water supply pipe 30 to the cell 2 farthest. Here, the cross-sectional area in the direction in which the cooling water of the throttle portion 32 passes is preferably designed in the range of 1 to 10 times the total value of the cross-sectional areas of the respective flow paths of the cooling water flow path 29. In addition, the direction through which the cooling water of the throttle portion 32 passes is the direction of the arrow X in FIG. 5, that is, the horizontal direction in the extending surface of the cell 2 (and thus the separator 20A).
<< Embodiment 3 >>
FIG. 6 is a rear view of the anode separator of the fuel cell according to Embodiment 3 of the present invention. 6, the same reference numerals as those in FIG. 4 denote the same or corresponding parts.

本実施の形態では、図１２に示す実施の形態１のセルスタック１において、冷却水供給マニホールド８が、図６に示すアノード側セパレータ２０Ｂの冷却水の入り口マニホールド孔２５Ｂと同じ断面形状を有している。   In the present embodiment, in the cell stack 1 of the first embodiment shown in FIG. 12, the cooling water supply manifold 8 has the same cross-sectional shape as the cooling water inlet manifold hole 25B of the anode separator 20B shown in FIG. ing.

このセパレータ２０Ｂでは、冷却水の入口マニホールド孔２５Ｂが、
底の深い第１の部分４１ａと底の浅い第２の部分４１ｂとを有するように底が２段に構成されている。換言すれば、入口マニホールド孔２５Ｂは、内周面の下部に周方向における段差４７ｃを有し、段差４７ｃの下に位置する第１の部分４１ａと段差５７ｃの上に位置する第２の部分４１ｂとを有するように形成されている。そして、図示されないが、カソード側セパレータ及びMEAの冷却水の入口マニホールド孔もこのアノード側セパレータ２０Ｂの冷却水の入口マニホールド孔２５Ｂと同じ形状に形成されている。そして、この入口マニホールド孔２５Ｂの第１の部分４１ａは、冷却水供給配管３０から冷却水供給マニホールド８に供給される冷却水の流通するところであり、第２の部分４１ｂは、冷却水流路２９へ冷却水を供給するところである。 In this separator 20B, the cooling water inlet manifold hole 25B
The bottom is configured in two steps so as to have a first portion 41a having a deep bottom and a second portion 41b having a shallow bottom. In other words, the inlet manifold hole 25B has a step 47c in the circumferential direction at the lower part of the inner peripheral surface, and the first portion 41a located below the step 47c and the second portion 41b located above the step 57c. Are formed. Although not shown, the cathode side separator and the cooling water inlet manifold hole of the MEA are also formed in the same shape as the cooling water inlet manifold hole 25B of the anode side separator 20B. The first portion 41 a of the inlet manifold hole 25 B is where the cooling water supplied from the cooling water supply pipe 30 to the cooling water supply manifold 8 circulates, and the second portion 41 b passes to the cooling water channel 29. The cooling water is being supplied.

セパレータ２０Ｂでは、冷却水の入口マニホールド孔２５Ｂから冷却水を各流路に分配するための第２の部分４１ｂが、冷却水供給配管３０から冷却水が供給される第１の部分４１ａよりも鉛直方向において高い位置に形成されている。冷却水の入口マニホールド孔２５Ｂをこのような形状にすることによって、第２の部分４１ｂの上流側である第１の部分４１ａに充満した冷却水は第２の部分４１ｂでセパレータ２０Ｂの延在面内における水平方向に流速を速め、その流速を維持するようにして各流路に分配されるため、さらに冷却水の等配性を向上することができる。また、実施の形態２のように、第２の部分３１ｂの入口側に単に絞り３２を設ける構成であると、部分負荷運転時において冷却水の流量を絞った場合には、絞りの効果が低下し、冷却水の等配性が悪化する危惧がある。しかしながら、本実施の形態では、下流側に位置する第２の部分４１ｂの底が上流側に位置する第１の部分４１ａの底より浅くなっているので、冷却水の流量が少ない場合にも、冷却水供給配管３０から供給される冷却水は、第１の部分４１ａに一度溜まってから、冷却水流路２９の各流路に連通する第２の部分４１ｂに流れていくため、等配性を確保できる。さらに、冷却水中に異物などが混入した場合には、これが第１の部分４１ａにおいて沈殿するため、これが冷却水流路２９に流れ込むのを防止でき、異物などによる冷却水詰まりを防止することができる。   In the separator 20B, the second portion 41b for distributing the cooling water from the cooling water inlet manifold hole 25B to each flow path is perpendicular to the first portion 41a to which the cooling water is supplied from the cooling water supply pipe 30. It is formed at a high position in the direction. By forming the cooling water inlet manifold hole 25B in such a shape, the cooling water filled in the first portion 41a on the upstream side of the second portion 41b becomes the extended surface of the separator 20B in the second portion 41b. Since the flow velocity is increased in the horizontal direction in the interior and distributed to each flow path so as to maintain the flow velocity, the uniformity of the cooling water can be further improved. Further, when the throttle 32 is simply provided on the inlet side of the second portion 31b as in the second embodiment, the throttle effect is reduced when the flow rate of the cooling water is reduced during partial load operation. However, there is a risk that the iso-distribution of cooling water will deteriorate. However, in the present embodiment, the bottom of the second portion 41b located on the downstream side is shallower than the bottom of the first portion 41a located on the upstream side, so even when the flow rate of the cooling water is small, Since the cooling water supplied from the cooling water supply pipe 30 once accumulates in the first portion 41 a and then flows to the second portion 41 b communicating with each flow path of the cooling water flow path 29, the equal distribution is achieved. It can be secured. Further, when foreign matter or the like is mixed in the cooling water, it precipitates in the first portion 41a, so that it can be prevented from flowing into the cooling water passage 29, and cooling water clogging due to foreign matter or the like can be prevented.

以下、本発明の実施例を説明する。
《実施例１》
アセチレンブラック系カーボン粉末（電気化学株式会社製DENKA BLACK FX-35）、平均粒径約３０Åの白金粒子を２５重量％担持させた。これをカソードの触媒とする。また、アセチレンブラック系カーボン粉末（電気化学株式会社製DENKA BLACK FX-35）に、平均粒径約３０Åの白金−ルテニウム合金（Ｐｔ：Ｒｕ＝１：１（重量比））粒子を２５重量％担持させた。これをアノードの触媒とする。これらの触媒粉末のイソプロパノール分散液に、パーフルオロカーボンスルホン酸粉末のエチルアルコール分散液（旭硝子株式会社製 Flemion FSS-1）を混合し、ペースト状にした。これらのペーストを原料としスクリーン印刷法を用いて、それぞれ厚み２５０μｍのカーボン不織布（東レ工業株式会社製 TGP-H-090）の一方の面に電極触媒層を形成した。このようにして形成された電極の触媒層に含まれる白金量は０．３ｍｇ／ｃｍ2、パーフルオロカーボンスルホン酸の量は１．２ｍｇ／ｃｍ2とした。 Examples of the present invention will be described below.
Example 1
Acetylene black-based carbon powder (DENKA BLACK FX-35 manufactured by Denki Kagaku Co., Ltd.) and platinum particles having an average particle diameter of about 30 mm were supported by 25% by weight. This is the cathode catalyst. Further, platinum-ruthenium alloy (Pt: Ru = 1: 1 (weight ratio)) particles having an average particle diameter of about 30 mm are supported on acetylene black carbon powder (DENKA BLACK FX-35 manufactured by Electrochemical Co., Ltd.) at 25% by weight. I let you. This is the anode catalyst. These catalyst powder isopropanol dispersions were mixed with perfluorocarbonsulfonic acid powder ethyl alcohol dispersion (Flemion FSS-1 manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.) to obtain a paste. Using these pastes as raw materials, an electrode catalyst layer was formed on one surface of a carbon non-woven fabric (TGP-H-090 manufactured by Toray Industries, Inc.) each having a thickness of 250 μm. Amount of platinum contained in the catalyst layer of the thus formed electrode is 0.3 mg / cm 2, the amount of perfluorocarbon sulfonic acid was 1.2 mg / cm 2.

これらの電極は、触媒材料以外の構成はカソード・アノード共に同一構成である。これらの電極を、電極より一回り大きい面積を有するプロトン伝導性高分子電解質膜（米国デュポン社製 NAFION 122）の中心部の両面に、印刷した触媒層が電解質膜側に接するようにホットプレスによって接合した。また、電極の外周に露出する高分子電解質膜の周縁部は、厚さ２５０μｍのフッ素系ゴム(旭硝子株式会社製 アフラス（登録商標）)のシートからなるガスケットで挟み、ホットプレスによって接合一体化させた。こうして、電解質膜電極接合体（ＭＥＡ）を作製した。プロトン伝導性高分子電解質膜として、パーフルオロカーボンスルホン酸を３０μｍの厚みに薄膜化したものを用いた。   These electrodes have the same configuration except for the catalyst material for both the cathode and the anode. These electrodes are hot-pressed so that the printed catalyst layer is in contact with the electrolyte membrane side on both sides of the center of a proton conductive polymer electrolyte membrane (NAFION 122 manufactured by DuPont, USA) having an area slightly larger than the electrode. Joined. In addition, the periphery of the polymer electrolyte membrane exposed on the outer periphery of the electrode is sandwiched between gaskets made of a 250 μm-thick fluorine rubber (Aflas (registered trademark) manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.), and bonded and integrated by hot press It was. Thus, an electrolyte membrane electrode assembly (MEA) was produced. As the proton conductive polymer electrolyte membrane, a perfluorocarbon sulfonic acid thinned to a thickness of 30 μm was used.

本実施例では実施の形態１に示す構造の導電性セパレータを用いた。図はこのセパレータを積層した燃料電池が実際の運転時に設置された状態で、重力に対して上になる方向を上方向としている。この導電性セパレータは、厚さ３ｍｍの等方性黒鉛板に機械加工によってガス流路及びマニホールド孔を形成した。ガス流路１７及び２８の溝幅は２ｍｍ、深さは１ｍｍ、流路間の幅は１ｍｍとし、それぞれ２本パスの流路構成とした。冷却水の流路は溝の深さを０．５ｍｍにした他はガス流路と同様である。この電池の定格運転条件は、燃料利用率７５％、酸素利用率４０％、電流密度０．３Ａ／ｃｍ2である。 In this example, the conductive separator having the structure shown in Embodiment Mode 1 was used. In the figure, the direction in which the fuel cell with the separators stacked is installed in the actual operation and is upward with respect to gravity. In this conductive separator, a gas flow path and a manifold hole were formed on an isotropic graphite plate having a thickness of 3 mm by machining. The groove widths of the gas flow paths 17 and 28 were 2 mm, the depth was 1 mm, and the width between the flow paths was 1 mm, each having a two-pass flow path configuration. The cooling water flow path is the same as the gas flow path except that the groove depth is 0.5 mm. The rated operating conditions of this battery are a fuel utilization rate of 75%, an oxygen utilization rate of 40%, and a current density of 0.3 A / cm 2 .

以上のようなカソード側セパレータとアノード側セパレータでＭＥＡを挟んだセルを５０セル積層した。隣接するセル間には、両セパレータ板により冷却水の流路が形成される。このセル積層体を、表面に金メッキした銅製集電板とポリフェニレンサルファイド製の絶縁板を介してステンレス鋼製の端板で挟み、両端板を締結ロッドで締結した。締結圧は電極の面積当たり１０ｋｇｆ／ｃｍ2とした。また、運転時は図で示したセパレータの上部が上となるよう積層電池を設置した。 50 cells having the MEA sandwiched between the cathode side separator and the anode side separator as described above were stacked. Between adjacent cells, a flow path of cooling water is formed by both separator plates. The cell laminate was sandwiched between stainless steel end plates via a copper current collector plate with gold plating on the surface and an insulating plate made of polyphenylene sulfide, and both end plates were fastened with fastening rods. The fastening pressure was 10 kgf / cm 2 per electrode area. Also, during operation, the laminated battery was installed so that the upper part of the separator shown in the figure was on top.

このように作製した本実施例の燃料電池を７０℃に保持し、アノードに７０℃の露点となるよう加湿・加温した燃料ガス（８０％水素ガス／２０％二酸化炭素／１０ｐｐｍ一酸化炭素）を、カソードに７０℃の露点となるように加湿・加温した空気をそれぞれ供給した。この電池を定格の２５％の低負荷となる電流密度０．０７５Ａ／ｃｍ2から定格負荷となる０．３Ａ／ｃｍ2まで電流密度を変化させて電流−電圧特性を評価した。ただし、試験中の利用率は定格条件と同等とした。その結果を図７に示す。図７には比較例の燃料電池の特性も併記した。比較例の燃料電池は、冷却水の入口・出口を実施例１とは逆にして、ガスは入口部で相対湿度１００％に加湿されるようにした。図より、本実施例の燃料電池では、比較例の燃料電池がガス流速の低下によってフラッディングを発生して運転が困難となっていた０．０７５Ａ／ｃｍ2付近においても、フラッディングを発生せず、安定した運転ができていることがわかる。本実施例では、冷却部をそれぞれ隣接するセルのアノード側セパレータとカソード側セパレータとの間に設けたが、冷却部を複数セル毎に配置しても同様の効果が得られる。
《実施例２》
本実施例では、実施の形態２で説明したセパレータを用いた。絞り部３２の冷却水が通過する方向の断面積は、各冷却面における冷却水の流路の断面積の合計値に対して１〜１０倍の範囲で設計した。本実施例では、冷却水の流路２本の合計断面積は４平方ｍｍであるため、絞り部３２の断面積は４〜４０平方ｍｍの範囲で設計した。 The fuel cell of this example produced in this way was maintained at 70 ° C., and the fuel gas (80% hydrogen gas / 20% carbon dioxide / 10 ppm carbon monoxide) humidified and heated so that the anode had a dew point of 70 ° C. Were supplied to the cathode with air that was humidified and heated to a dew point of 70 ° C. It was evaluated voltage characteristics - current This battery by changing the current density from the current density 0.075A / cm 2 which is 25% of the low load up to 0.3 A / cm 2 as a rated load of rated. However, the utilization rate during the test was equivalent to the rated conditions. The result is shown in FIG. FIG. 7 also shows the characteristics of the fuel cell of the comparative example. In the fuel cell of the comparative example, the inlet / outlet of the cooling water was reversed from that in Example 1, and the gas was humidified to a relative humidity of 100% at the inlet. From the figure, in the fuel cell of this example, the fuel cell of the comparative example did not generate flooding even in the vicinity of 0.075 A / cm 2 where the operation was difficult due to the occurrence of flooding due to the decrease in gas flow rate, It can be seen that stable operation is possible. In this embodiment, the cooling unit is provided between the anode-side separator and the cathode-side separator of each adjacent cell, but the same effect can be obtained even if the cooling unit is arranged for each of a plurality of cells.
Example 2
In this example, the separator described in Embodiment 2 was used. The cross-sectional area of the throttle portion 32 in the direction in which the cooling water passes is designed in a range of 1 to 10 times the total cross-sectional area of the cooling water flow path on each cooling surface. In this embodiment, since the total cross-sectional area of the two cooling water flow paths is 4 mm 2, the throttle area 32 is designed to have a cross-sectional area of 4 to 40 mm 2.

この燃料電池を実施例１に示した運転条件で、定格負荷運転をしたときの各セルの電圧を測定した。この結果を図８に示す。図８には実施例１の燃料電池の各セルの電圧も併記した。ここで、冷却水はセル番号１番の側から供給され、マニホールド、冷却水流路を通って、セル番号５０番の側に排出される構成となっている。実施例１の燃料電池は、冷却水の入口側で電圧値が高く、出口に近づくにつれて低下していることがわかる。これは、冷却水の流量が不均一になったために、温度の低いセルと高いセルができたためである。これに対して、本実施例の燃料電池では、冷却水の等配性が向上したため、温度分布が均一となり、セル電圧が均一化されていることがわかる。さらに、図９はこれらの燃料電池を１０００時間運転した後に比較した結果を示している。図９より、実施例１の電池では、冷却水の出口近辺のセル電圧の劣化率が大きいのに対し、本実施例の電池では、全てのセルにわたって極端な劣化が見られないことがわかる。セル電圧の劣化は、冷却水の流量が少なくなったセルの温度が上昇し、電解質膜の乾きによる劣化が発生したためと考えられる。従って、本実施例による冷却水の等配性の向上が、耐久性劣化の抑制にも効果的であることがわかる。
《実施例３》
本実施例では、実施の形態３のセパレータを用いた。入口マニホールド孔２５Ｂの流路に連通する部分４１ｂの入口側の絞り部の断面積は、実施例２と同様の方法で設計した。 The voltage of each cell was measured when the fuel cell was operated at the rated load under the operating conditions shown in Example 1. The result is shown in FIG. FIG. 8 also shows the voltage of each cell of the fuel cell of Example 1. Here, the cooling water is supplied from the cell number 1 side, passes through the manifold and the cooling water flow path, and is discharged to the cell number 50 side. It can be seen that the fuel cell of Example 1 has a high voltage value on the inlet side of the cooling water and decreases as it approaches the outlet. This is because the flow rate of the cooling water became non-uniform, so that a cell having a low temperature and a cell having a high temperature were formed. On the other hand, in the fuel cell of the present example, since the cooling water is evenly distributed, the temperature distribution is uniform and the cell voltage is uniform. Further, FIG. 9 shows the result of comparison after these fuel cells have been operated for 1000 hours. From FIG. 9, it can be seen that in the battery of Example 1, the cell voltage deterioration rate near the outlet of the cooling water is large, whereas in the battery of this example, no extreme deterioration is observed across all the cells. The deterioration of the cell voltage is considered to be caused by the deterioration of the electrolyte membrane due to the increase in the temperature of the cell where the flow rate of the cooling water is reduced. Therefore, it can be seen that the improvement in the uniformity of the cooling water according to the present example is effective in suppressing the deterioration of durability.
Example 3
In this example, the separator of Embodiment 3 was used. The cross-sectional area of the throttle portion on the inlet side of the portion 41b communicating with the flow path of the inlet manifold hole 25B was designed in the same manner as in the second embodiment.

この燃料電池を実施例１に示した運転条件で、定格の１／４の負荷で運転をしたときに、冷却水を定格流量の１／４まで絞った時の各セルの電圧を測定した。この結果を図１０に示す。図１０には実施例２で示した燃料電池の各セルの電圧も併記した。ここで、冷却水はセル番号１番の側から供給され、マニホールド、冷却水流路を通って、セル番号５０番の側に排出される構成となっている。図１０より、実施例２及び本実施例の電池とも、１／４負荷運転においても、安定した運転が可能であることがわかる。また、実施例２の電池は、冷却水の流量を１／４まで絞った場合には、冷却水の等配性が悪化し、若干ではあるがセル毎の電圧バラツキが増大する傾向にあることがわかる。これに対して、本実施例の電池では、冷却水の流量が低下したにも拘わらず、セル電圧は均一に保たれていることがわかる。これは、入口マニホールド孔２５Ｂにおいて、その上流側の第１の部分４１ａに冷却水が一度溜まってから、下流側の第２の部分４１ｂを経由して流路２９に供給されるために、冷却水量が低い時の等配性が向上したためと考えられる。   When this fuel cell was operated under the operating conditions shown in Example 1 and at a rated ¼ load, the voltage of each cell was measured when the cooling water was reduced to ¼ of the rated flow rate. The result is shown in FIG. FIG. 10 also shows the voltage of each cell of the fuel cell shown in Example 2. Here, the cooling water is supplied from the cell number 1 side, passes through the manifold and the cooling water flow path, and is discharged to the cell number 50 side. From FIG. 10, it can be seen that both the battery of Example 2 and the present example can be operated stably even at 1/4 load operation. Further, in the battery of Example 2, when the flow rate of the cooling water is reduced to ¼, the uniformity of the cooling water is deteriorated, and the voltage variation for each cell tends to increase slightly. I understand. On the other hand, in the battery of this example, it can be seen that the cell voltage is kept uniform even though the flow rate of the cooling water is reduced. In the inlet manifold hole 25B, the cooling water is once accumulated in the first portion 41a on the upstream side and then supplied to the flow path 29 via the second portion 41b on the downstream side. This is thought to be due to improved uniformity when the amount of water is low.

図１１は、これらの電池を低負荷運転条件の下で１０００時間運転した後に、セル間の電圧を比較した結果を示している。図１１より、実施例２の電池では、冷却水の出口近辺のセル電圧の劣化率がわずかに大きいのに対し、本実施例の電池では、セル電圧の低下率が一様であることがわかる。セル電圧の劣化は、冷却水の流量が少なくなったセルの温度が上昇し、電解質膜の乾きによる劣化が発生したためと考えられる。本実施例による冷却水の等配性の向上が、耐久性の劣化の抑制にも効果的であることがわかる。特に、低負荷運転時の冷却水の流量を絞って運転する時間が長いシステムに対しては、本実施例のようなマニホールド形状とすることが効果的であることがわかる。   FIG. 11 shows the results of comparing the voltages between cells after these batteries were operated for 1000 hours under low-load operation conditions. From FIG. 11, it can be seen that in the battery of Example 2, the cell voltage deterioration rate near the outlet of the cooling water is slightly large, whereas in the battery of this example, the cell voltage decrease rate is uniform. . The deterioration of the cell voltage is considered to be caused by the deterioration of the electrolyte membrane due to the increase in the temperature of the cell where the flow rate of the cooling water is reduced. It can be seen that the improvement in the uniformity of the cooling water according to the present example is also effective in suppressing the deterioration of durability. In particular, it can be seen that the manifold shape as in the present embodiment is effective for a system in which the operation time is long by reducing the flow rate of the cooling water during low-load operation.

以上のように本発明によれば、セパレータにおける酸化剤ガス、燃料ガス、及び冷却水の全ての流れを重力に逆らわない方向にすることにより、凝縮水のスムースな排出を促進し、低負荷運転時においてもフラッディングを生じず、高効率で安定した運転が可能となり、かつガス入口部での電解質膜の乾きを解消し、耐久性を向上することが可能となる。   As described above, according to the present invention, smooth flow of condensed water is promoted by reducing the flow of oxidant gas, fuel gas, and cooling water in the separator in a direction that does not oppose gravity. Even at times, flooding does not occur, high-efficiency and stable operation is possible, and drying of the electrolyte membrane at the gas inlet is eliminated, and durability can be improved.

また、冷却水の入口マニホールド孔に絞りを設けることによって、セルを積層した際に、冷却水の等配性を向上でき、セル間の温度分布を低減できるため、セル電圧のバラツキを低く抑えることができる。さらに、温度の高いセルが発生しないために、耐久性の劣化を低減できる。   In addition, by providing a restriction at the inlet manifold hole of the cooling water, it is possible to improve the uniformity of the cooling water when stacking the cells, and to reduce the temperature distribution between the cells. Can do. Furthermore, since no high-temperature cell is generated, deterioration in durability can be reduced.

さらに、冷却水の入口マニホールド孔から冷却水を各流路に分配するための連通部の接続部を、冷却水入口マニホールド孔に冷却水を供給する位置よりも重力方向で高い位置にすることによって、低負荷運転時に冷却水の流量を絞った場合においても、等配性を確保することが可能であり、温度分布の増大による電圧バラツキの増大を抑制することができる。   Furthermore, by connecting the connecting portion for distributing the cooling water from the cooling water inlet manifold hole to each flow path at a position higher in the gravity direction than the position for supplying the cooling water to the cooling water inlet manifold hole. Even when the flow rate of the cooling water is reduced during low-load operation, it is possible to ensure equidistribution and suppress an increase in voltage variation due to an increase in temperature distribution.

本発明の高分子電解質型燃料電池は、ポータブル電源、電気自動車用電源、家庭内コージェネレーションシステム等に使用する燃料電池として有用である。   The polymer electrolyte fuel cell of the present invention is useful as a fuel cell for use in portable power supplies, electric vehicle power supplies, domestic cogeneration systems, and the like.

本発明の実施の形態１の燃料電池に用いたカソード側セパレータの正面図である。It is a front view of the cathode side separator used for the fuel cell of Embodiment 1 of this invention. 同じくカソード側セパレータの背面図である。It is a rear view of a cathode side separator similarly. 本発明の実施の形態１の燃料電池に用いたアノード側セパレータの正面図である。It is a front view of the anode side separator used for the fuel cell of Embodiment 1 of this invention. 同じくアノード側セパレータの背面図である。It is a back view of an anode side separator similarly. 本発明の実施の形態２の燃料電池に用いたアノード側セパレータの背面図である。It is a rear view of the anode side separator used for the fuel cell of Embodiment 2 of this invention. 本発明の実施の形態３の燃料電池に用いたアノード側セパレータの背面図である。It is a rear view of the anode side separator used for the fuel cell of Embodiment 3 of this invention. 本発明の実施例１及び比較例１の燃料電池の電流−電圧特性を示す図である。It is a figure which shows the current-voltage characteristic of the fuel cell of Example 1 and Comparative Example 1 of this invention. 本発明の実施例１及び実施例２の燃料電池のセル番号とセル電圧の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the cell number and cell voltage of the fuel cell of Example 1 and Example 2 of this invention. 本発明の実施例１及び実施例２の燃料電池の耐久試験後のセル番号とセル電圧の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the cell number after the endurance test of the fuel cell of Example 1 and Example 2 of this invention, and a cell voltage. 本発明の実施例２及び実施例３の燃料電池のセル番号とセル電圧の関係を示図である。It is a figure which shows the relationship between the cell number and cell voltage of the fuel cell of Example 2 and Example 3 of this invention. 本発明の実施例２及び実施例３の燃料電池の耐久試験後のセル番号とセル電圧の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the cell number and the cell voltage after the endurance test of the fuel cell of Example 2 and Example 3 of this invention. 本発明の実施の形態１に係る高分子電解質型燃料電池の概略の構成を示す斜視図である。1 is a perspective view showing a schematic configuration of a polymer electrolyte fuel cell according to Embodiment 1 of the present invention. 図１２のXIII−XIII平面に沿った断面図である。It is sectional drawing along the XIII-XIII plane of FIG.

符号の説明Explanation of symbols

１ セルスタック
２ セル
３Ａ，３Ｂ 端板
４ 酸化剤ガス供給マニホールド
５ 燃料ガス供給マニホールド
６ 燃料ガス排出マニホールド
７ 酸化剤ガス排出マニホールド
８ 冷却水供給マニホールド
９ 冷却水排出マニホールド
１０ カソード側セパレータ
１１、２１ 酸化剤ガスの入口マニホールド孔
１３、２３ 酸化剤ガスの出口マニホールド孔
１７ 酸化剤ガスの流路
２０ アノード側セパレータ
１２、２２ 燃料ガスの入口マニホールド孔
１４、２４ 燃料ガスの出口マニホールド孔
１５、２５、２５Ａ、２５Ｂ 冷却水の入口マニホールド孔
１６、２６ 冷却水の出口マニホールド孔
１９、２９ 冷却水の流路
２８ 燃料ガスの流路
３０ 冷却水供給配管
３１ａ 第１の部分
３１ｂ 第２の部分
３２ 絞り部
４１ａ 第１の部分
４１ｂ 第２の部分
４２Ａ カソード
４２Ｂ アノード
４３ ＭＥＡ
４６ ガスケット
４７ｃ 段差
４８ Ｏリング
４９ 高分子電解質膜
５１ 酸化剤ガス供給配管
５２ 酸化剤ガス排出配管
５３ 燃料ガス供給配管
５４ 燃料ガス排出配管
５５ 冷却水排出配管


1 Cell stack 2 Cell 3A, 3B End plate 4 Oxidant gas supply manifold 5 Fuel gas supply manifold 6 Fuel gas discharge manifold 7 Oxidant gas discharge manifold 8 Cooling water supply manifold 9 Cooling water discharge manifold 10 Cathode side separator 11, 21 Oxidation Agent gas inlet manifold hole 13, 23 Oxidant gas outlet manifold hole 17 Oxidant gas flow path 20 Anode side separator 12, 22 Fuel gas inlet manifold hole 14, 24 Fuel gas outlet manifold hole 15, 25, 25A 25B Cooling water inlet manifold hole 16, 26 Cooling water outlet manifold hole 19, 29 Cooling water flow path 28 Fuel gas flow path 30 Cooling water supply piping 31a First part 31b Second part 32 Restriction part 41a First part 41b second part 42A cathode 42B anode 43 MEA
46 Gasket 47c Step
48 O-ring 49 Polymer electrolyte membrane 51 Oxidant gas supply pipe 52 Oxidant gas discharge pipe 53 Fuel gas supply pipe 54 Fuel gas discharge pipe 55 Cooling water discharge pipe


Claims (3)

水素イオン伝導性の高分子電解質膜と前記高分子電解質膜を挟むアノード及びカソードとを有するＭＥＡと、正面が前記アノードに接触するように前記ＭＥＡの一方の側に配置され前記正面に燃料ガスが流れる燃料ガス流路が形成された板状のアノード側セパレータと、正面が前記カソードに接触するように前記ＭＥＡの他方の側に配置され前記正面に酸化剤ガスが流れる酸化剤ガス流路が形成された板状のカソード側セパレータとを有するセルと、
複数の前記セルが積層されたセルスタックと、
前記セルスタックの少なくとも所定のセルの前記アノード側セパレータ及びカソード側セパレータの少なくともいずれかの背面に形成された冷却水が流れる冷却水流路と、を備え、
前記燃料ガス流路、前記酸化剤ガス流路、及び前記冷却水流路は、それぞれ、前記燃料ガス、前記酸化剤ガス、及び前記冷却水が重力に逆らわないように流れるよう形成されており、
前記アノード側セパレータ又は前記カソード側セパレータにおいて、前記冷却水流路に冷却水を供給する入口マニホールド孔が、前記冷却水流路への前記冷却水の流れに対し障壁となる障壁手段を有するように設けられ、前記入口マニホールド孔の前記障壁手段より上流側に位置する部分が冷却水供給配管に連通し、前記入口マニホールド孔の前記障壁手段より下流側に位置する部分が前記冷却水流路に連通しており、
前記入口マニホールド孔は、前記冷却水が、一度、前記上流側に位置する部分に溜まってから、前記障壁手段を超えて、前記下流側に位置する部分に供給されるように配置されている、
高分子電解質型燃料電池。 An MEA having a hydrogen ion conductive polymer electrolyte membrane and an anode and a cathode sandwiching the polymer electrolyte membrane, and disposed on one side of the MEA so that the front is in contact with the anode. A plate-like anode-side separator in which a flowing fuel gas channel is formed and an oxidant gas channel that is arranged on the other side of the MEA so that the front surface is in contact with the cathode and through which the oxidant gas flows are formed on the front surface A cell having a plate-like cathode-side separator formed;
A cell stack in which a plurality of the cells are stacked;
A cooling water flow path through which cooling water formed on the back surface of at least one of the anode side separator and the cathode side separator of at least a predetermined cell of the cell stack,
The fuel gas flow path, the oxidant gas flow path, and the cooling water flow path are formed so that the fuel gas, the oxidant gas, and the cooling water flow so as not to oppose gravity, respectively.
In the anode-side separator or the cathode-side separator, an inlet manifold hole for supplying cooling water to the cooling water flow path is provided so as to have a barrier means that serves as a barrier against the flow of the cooling water to the cooling water flow path. the portion located upstream side of the barrier means of the inlet manifold hole communicates with the cooling water supply pipe communicates with a the portion located downstream the cooling water flow path from said barrier means of the inlet manifold apertures ,
The inlet manifold hole is arranged so that the cooling water once accumulates in the portion located on the upstream side and then is supplied to the portion located on the downstream side beyond the barrier means.
Polymer electrolyte fuel cell. 前記アノード側セパレータ又は前記カソード側セパレータにおいて、前記冷却水流路に冷却水を供給する入口マニホールド孔が、前記障壁手段として、前記セパレータを厚み方向に貫通しかつ対向する内周面の局部的な接近部から成る絞り部を有するように設けられ、前記絞り部の一方の側に位置する第１の部分が冷却水供給配管に連通し、前記絞り部の他方の側に位置する第２の部分が冷却水流路に連通している、請求項１に記載の高分子電解質型燃料電池。   In the anode-side separator or the cathode-side separator, an inlet manifold hole that supplies cooling water to the cooling water flow path serves as the barrier means and locally approaches the inner peripheral surface that penetrates the separator in the thickness direction and faces the separator. A first portion located on one side of the throttle portion is in communication with a cooling water supply pipe, and a second portion located on the other side of the throttle portion is provided. The polymer electrolyte fuel cell according to claim 1, wherein the polymer electrolyte fuel cell is in communication with a cooling water flow path. 前記アノード側セパレータ又は前記カソード側セパレータにおいて、前記冷却水流路に冷却水を供給する入口マニホールド孔が、前記障壁手段として、前記セパレータを厚み方向に貫通しかつ内周面の下部に周方向における段差を有するように設けられ、前記段差の下位側に位置する第１の部分が冷却水供給配管に連通し、前記段差の上位側に位置する第２の部分が冷却水流路に連通している、請求項１に記載の高分子電解質型燃料電池。   In the anode-side separator or the cathode-side separator, an inlet manifold hole for supplying cooling water to the cooling water flow path, as the barrier means, penetrates the separator in the thickness direction and has a step in the circumferential direction below the inner peripheral surface. A first portion located on the lower side of the step communicates with the cooling water supply pipe, and a second portion located on the upper side of the step communicates with the cooling water flow path. The polymer electrolyte fuel cell according to claim 1.
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