JP5098128B2

JP5098128B2 - Fuel cell

Info

Publication number: JP5098128B2
Application number: JP2001280368A
Authority: JP
Inventors: 誠治佐野; 信一松本; 一新曽; 剛高橋; 稔幸鈴木; 康之浅井; 光悦日比野; 敏幸稲垣; 克宏梶尾; 勉越智; 三喜男和田; 裕一八神; 治久新美
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2001-09-14
Filing date: 2001-09-14
Publication date: 2012-12-12
Anticipated expiration: 2021-09-14
Also published as: JP2003092121A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池に関し、とくに固体高分子電解質型燃料電池の流路構造に関する。
【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、セパレータに形成されたアノード、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流路とからセルを構成し、ＭＥＡとセパレータを少なくとも１層積層してモジュールとし、モジュールを積層してセル積層体を構成し、セル積層体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、スタックをセル積層方向に締め付け、セル積層体の外側でセル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、該テンションプレートはスタックの一部を構成する）とボルトにて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、またはセル積層体の一端のセルで生成した電子が外部回路を通してセル積層体の他端のセルにくる）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→Ｈ₂Ｏ
ジュール熱とカソードでの水生成反応での熱を冷却するために、セパレータ間には、各セル毎にあるいは複数個のセル毎に、冷媒（通常は冷却水）が流れる冷媒流路が形成されており、燃料電池を冷却している。
酸化ガス流路下流部は、生成水により湿潤過多（フラッディング）を起こしやすく、フラッディングが起こると酸化ガスの電極への拡散が低下して電池の出力性能が低下する。酸化ガスを無加湿か、加湿しても低加湿で供給すると、酸化ガス流路上流部は、電解質膜の乾きを起こしやすく、電解質膜が乾くと水素イオンの電解質膜中の移動が抑制され、電池の出力性能が低下する。
特開２０００−８２４８２Ａは、水素（燃料ガス）と空気（酸化ガス）を逆向きに流し、冷媒を酸素と同じ向きに流す燃料電池を開示している。この構造をとることによって、水分のセル内自己循環が促進されるとともに空気流路上流部で水分凝縮条件となり、酸化ガス流路の下流部でのフラッディングと上流部での電解質膜のドライアップが緩和される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、特開２０００−８２４８２Ａの燃料電池にも、なおつぎの解決すべき問題点がある。
(i) 空気流路（酸化ガス流路）下流での濃度過電圧が大きくなる（「濃度過電圧が大きくなる」とは、酸素がカソードまで拡散しにくくなって拡散ロスが大きくなって出力が下がること）。
(ii)無加湿または低加湿運転時には、空気流路（酸化ガス流路）上流の電解質膜が乾きやすい。
上記問題点が発生する理由はつぎの通りである。
★ 上記(i) の問題が生じる理由
１）酸素が発電反応で消費されるため、空気流路（酸化ガス流路）下流での酸素濃度が小さい。
２）空気流路（酸化ガス流路）下流でのガス流速が小さい。
・空気と３相界面との間の境膜（境界層）が厚くなって、空気の拡散性が低下する。
・凝縮水を吹き払う力が弱まる。
★ 上記(ii)の問題が生じる理由
１）空気流路（酸化ガス流路）上流でのガス流速が大きい。
凝縮水が空気流に持ち去られやすくなり、空気流路（酸化ガス流路）上流での凝縮水の蒸発速度が大きくなる。
本発明の目的は、酸化ガス流路下流での濃度過電圧を小さくでき（酸素のカソードへの拡散をよくでき）、無加湿または低加湿運転時においても酸化ガス流路上流部での電解質膜の乾きを抑制できる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）電解質膜を挟んだ燃料ガス流路と酸化ガス流路の流れの向きを逆向きとし、前記燃料ガス流路と前記酸化ガス流路の両方の流路断面積を流れ方向に変化させ、前記燃料ガス流路を燃料ガス流れ方向に上流から下流へ流路断面積を拡大させ、前記酸化ガス流路を酸化ガス流れ方向に上流から下流へ流路断面積を減少させた燃料電池。
（２）冷媒流路を有し、冷媒流路と酸化ガス流路の流れの向きを同じ向きとした（１）記載の燃料電池。
（３）前記燃料ガス流路と前記酸化ガス流路の流路断面積は、流路深さを一定にして流路幅を変えることにより、変えられている（１）または（２）記載の燃料電池。
（４）前記燃料ガス流路と前記酸化ガス流路は、セグメント化され、蛇行している（１）記載の燃料電池。
（５）前記燃料ガス流路と前記酸化ガス流路は、各々、セパレータの面に形成された複数の流路溝の群、および／または、セパレータの面に形成された複数の凸部によって隣接するセパレータの面間に形成されたスペースからなる流路を有し、該流路の、セパレータ正面視での外形形状は台形状であり、該台形状の流路はセル外形が長方形となるように偶数組み合わされている（１）または（２）または（３）記載の燃料電池。
（６）前記燃料ガス流路と前記酸化ガス流路の流路断面積は、流路幅を一定にして流路深さを変えることにより、変えられている（１）または（２）記載の燃料電池。
【０００５】
上記（１）〜（６）の燃料電池では、電解質膜を挟んだ燃料ガス（水素）と酸化ガス（空気）の流れの向きを逆にし、燃料ガス流路と酸化ガス流路の両方の流路断面積を流れ方向に変化させ、酸化ガス流路下流を絞り、かつ、燃料ガス流路上流を絞ったので、酸化ガス流路下流での濃度過電圧が小さくなる。また、酸化ガス流路上流を拡くし、かつ、燃料ガス流路下流を拡くしたので、酸化ガス流路上流の乾きが抑制される。
上記（１）の燃料電池では、酸化ガス流路を下流ほど絞り、かつ、燃料ガス流路を下流ほど拡げたので、空気と水素の作用が対応して相乗的に働き、酸化ガス流路下流での濃度過電圧が小さくなり、酸化ガス流路上流での電解質膜の乾きが抑制される作用が、大きくなる。
上記（２）の燃料電池では、冷媒流路と酸化ガス流路で流れの向きを同じ向きとしたので、乾きやすい酸化ガス流路上流部の温度が下降し、凝縮環境になって電解質膜のドライアップが抑制される。また、湿潤しやすい酸化ガス流路下流部の温度が上昇し、飽和蒸気圧が高くなって凝縮しにくくなり、フラッディングが抑制される。したがって、上記（１）での作用が助長される。
上記（３）の燃料電池では、燃料ガス流路と酸化ガス流路の流路断面積が、流路深さを一定にして流路幅を変えることにより、変えられているので、カウンタフローのため、燃料ガス流路の狭幅の上流部と酸化ガス流路の狭幅の下流部がうまく対応し、燃料ガス流路の広幅の下流部と酸化ガス流路の広幅の上流部がうまく対応し、１つのセパレータの表裏に本発明の酸化ガス流路と燃料ガス流路を形成することができる。
上記（４）の燃料電池では、燃料ガス流路と酸化ガス流路は、セグメント化され、蛇行しているので、近似的に流れを対向させることが容易にできる。
上記（５）の燃料電池では、燃料ガス流路と前記酸化ガス流路は、各々、セパレータの面に形成された複数の流路溝の群、および／または、セパレータの面に形成された複数の凸部によって隣接するセパレータの面間に形成されたスペースからなる流路を有し、該流路の、セパレータ正面視での外形形状は台形状であり、該台形状の流路はセル外形が長方形となるように偶数組み合わされているので、流路は台形にかかわらずセル外形形状が長方形となって、車両などへの搭載が便利になる。
上記（６）の燃料電池では、燃料ガス流路と酸化ガス流路の流路断面積が、流路幅を一定にして流路深さを変えることにより、変えられているので、セル外形形状を長方形とすることができ、車両などへの搭載が便利になる。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の燃料電池を図１〜図１５を参照して、説明する。図中、図１、図２は本発明の何れの実施例にも適用可能であり、図３〜図５は本発明の実施例１を示し、図６〜図８は本発明の実施例２を示し、図９〜図１１は本発明の実施例３を示し、図１２〜図１５は本発明の実施例４を示す。本発明の全実施例にわたって共通または類似する部分には本発明の全実施例にわたって同じ符号を付してある。
まず、本発明の全実施例にわたって共通または類似する部分を図１〜図５を参照して説明する。
【０００７】
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。固体高分子電解質型燃料電池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。
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 、ただし、拡散層１３、１６は電極およびＭＥＡと別体に形成されていてもよい）と、セパレータ１８に形成された、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流路２７、２８（燃料ガス流路２７、酸化ガス流路２８）および燃料電池冷却用の冷媒（通常は冷却水）が流れる冷媒流路２６からセル２９を構成し、ＭＥＡとセパレータを１層以上重ねて１以上のセルからモジュール１９を構成し、モジュール１９を積層してセル積層体を構成し、セル積層体のセル積層方向両端に、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セル積層体の外側でセル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はスタックの一部を構成する）とボルト２５で固定したものからなる。
【０００８】
ＭＥＡを挟んだ一対のセパレータ１８には、該ＭＥＡの一側に位置するセパレータのＭＥＡに対向する面に燃料ガス流路２７が形成されており、同じＭＥＡの他側に位置するセパレータのＭＥＡに対向する面に酸化ガス流路２８が形成されている。各セルの燃料ガス流路２７、酸化ガス流路２８は、セル積層体のセル積層方向に連続して延びる燃料ガスマニホールド３１、酸化ガスマニホールド３２に接続している。
冷媒流路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では、２つのセル２９からモジュール１９を構成し、モジュール１９毎に１つの冷媒流路２６が設けられている。各冷媒流路２６は、セル積層体のセル積層方向に連続して延びる冷媒マニホールド３０に接続している。
セパレータ１８は、燃料ガスと酸化ガスを区画するか、冷却水と、燃料ガスおよび酸化ガスを区画している。セパレータ１８は、また、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も形成している。
【０００９】
セパレータ１８は、カーボン板、または導電性粒子（たとえば、カーボン粒子）を混入して導電性をもたせた樹脂板、または金属板、の何れかからなる。
セパレータ１８に形成された流体流路２７、２８、２６は、セパレータ１８の面（１つのセパレータ、または面接触する２つのセパレータ、の何れでもよい）に形成された複数の流路溝の群からなるか、またはセパレータ１８の面に形成された多数の凸部によって隣接するセパレータの面間に形成されたスペースからなるか、上記の流路溝と凸部によるスペースとの両方からなるか、の何れによって形成される。
セパレータ１８がカーボン板または樹脂板からなる場合は、流体流路２７、２８、２６はセパレータ１８成形時に成形によって形成される。セパレータ１８が金属板からなる場合は、流体流路２７、２８、２６はセパレータ１８の成形時にプレス成形によって形成されるか、あるいは、エッチングなどによって形成される。
【００１０】
本発明では、流体流路２６、２７、２８はつぎのように構成されている。
電解質膜１１を挟んだ燃料ガス流路２７と酸化ガス流路２８の流れの向きを逆向き（カウンタフロー）とする。また、冷媒流路２６を流れる冷媒の流れの向きと酸化ガス流路２８を流れる酸化ガスの流れの向きは同じ向きとする。
また、燃料ガス流路２７と酸化ガス流路２８の流路断面積を流れ方向に変化させてある。燃料ガス流路２７と酸化ガス流路２８の両方の流路断面積を変化させることが望ましい。燃料ガス流路２７の流路断面積を変化させる時は、燃料ガス流れ方向に上流から下流へ流路断面積を拡大させる。酸化ガス流路２８の流路断面積を変化させる時は、酸化ガス流れ方向に上流から下流へ流路断面積を減少させる。
【００１１】
燃料ガス流路２７と酸化ガス流路２８の流路断面積は、流路深さを一定にして流路幅（流路が流路溝からなる場合は流路溝群の幅）を変えることにより、変えられてもよいし、あるいは、流路幅（流路が流路溝からなる場合は流路溝群の幅）を一定にして流路深さを変える（セパレータの厚さは同じだが、そこに形成された流路の深さを変える）ことにより、変えられてもよい。
燃料ガス流路２７と酸化ガス流路２８の流路断面積を変えるのに流路幅を変える場合は、流路幅を徐々に連続的に変化させてもよいし、あるいは段階的に変化（流路幅一定の部分とステップ的に増減する部分との組み合わせ）させてもよい。
【００１２】
つぎに、本発明の全実施例に共通または類似する部分の作用を説明する。
電解質膜１１を挟んだ燃料ガス（水素）と酸化ガス（空気）の流れの向きを逆にし、燃料ガス流路２７と酸化ガス流路２８の流路断面積を流れ方向に変化させたので（たとえば、酸化ガス流路２８を下流ほど絞り、燃料ガス流路２７を下流ほど拡げたので）、つぎの作用がある。以下の説明において、(i) 、(ii)は「本発明が解決しようとする課題」で述べた問題点(i) 、(ii)に、それぞれ、対応する。
【００１３】
イ）酸化ガス流路２８の流路断面積を下流ほど絞った場合
(i) 酸化ガス流路２８下流部のガス流速が（上流部に比べて）大となる。また、
(ii)酸化ガス流路２８上流部のガス流速が（下流部に比べて）小さくなる。
その結果、
(i) 「酸化ガス流路２８下流部のガス流速が大となる」ことによって、カソード境界層が薄くなり拡散がよくなる。また、凝縮水を吹き払って酸素のカソード１７への拡散がよくなり電池出力が増大する。また、
(ii)「酸化ガス流路２８上流部のガス流速が小さくなる」ことによって、カソード境界層が厚くなり、蒸発速度が小さくなって、酸化ガス流路２８上流部で電解質膜１１が乾きにくくなる。
【００１４】
ロ）燃料ガス流路２７の流路断面積を下流ほど拡げた場合
(i) 燃料ガス流路２７上流部のガス流速が大となる。また、
(ii)燃料ガス流路２７下流部のガス流速が小さくなる。
その結果、
(i) 「燃料ガス流路２７上流部のガス流速が大となる」ことによって、燃料ガス流路２７上流部のアノード境界層が薄くなり、アノード１４での凝縮水の蒸発速度が増加し、酸化ガス流路２８の下流部の水分を電解質膜１１を通して水素側入口に引き出し、酸化ガス流路２８下流部のフラッディングが抑制される。また、
(ii)「燃料ガス流路２７下流部のガス流速が小さくなる」ことによって、アノード境界層が厚くなり、蒸発速度が小さくなり、空気上流部に対応する電解質膜１１が乾きにくくなる。
【００１５】
上記からわかるように、水素と空気の逆向き流れ（カウンタフロー）と、流路断面積の変化による流速の変化が、酸化ガス流路２８下流部での濃度過電圧増大抑制作用、および酸化ガス流路２８上流部位の電解質膜乾き防止作用に、相乗的に働いている。
【００１６】
また、冷媒流路２６と酸化ガス流路２８で流れの向きを同じ向きとしたので、乾きやすい酸化ガス流路２８上流部の温度が下降し、凝縮環境になって電解質膜１１のドライアップが抑制される。また、湿潤しやすい酸化ガス流路２８下流部の温度が上昇し、飽和蒸気圧が高くなって凝縮しにくくなり、フラッディングが抑制される。
【００１７】
つぎに、本発明の各実施例に特有な部分の構成、作用を説明する。
本発明の実施例１は、図３〜図５に示すように、電解質膜１１を挟んだ燃料ガス流路２７と酸化ガス流路２８の流れの向きを逆向きとした燃料電池であって、燃料ガス流路２７を燃料ガス流れ方向に上流から下流へ流路断面積を拡大させ、酸化ガス流路２８を酸化ガス流れ方向に上流から下流へ流路断面積を減少させたものである。
冷媒流路２６と酸化ガス流路２８の流れの向きは同じ向きである。
燃料ガス流路２７と酸化ガス流路２８の流路断面積は、流路深さを一定にして流路幅（流路が流路溝群からなる場合は、流路溝群の幅）を変えることにより、変えられている。
この流路幅構造を有するセルは、セパレータ１８の外形形状が台形となり、外形台形セルとなる。この台形は、空気流路（酸化ガス流路）の横幅を上流は広く、下流は狭くし、逆に水素流路（燃料ガス流路）の横幅を上流は狭く、下流は広くする。この場合、カウンタフローのため、酸化ガス流路の流路断面積を下流ほど絞ることと、燃料ガス流路の流路断面積を下流ほど拡げることが、形状的に対応するので、１つのセパレータの表裏に本発明の酸化ガス流路と燃料ガス流路を形成することができる。
【００１８】
本発明の実施例１の作用については、
(i) 空気流路（酸化ガス流路）下流のガス流速が大きくなり、酸素のカソードへの拡散性が向上し、凝縮水を吹き払う力が強まる。その結果、空気流路（酸化ガス流路）下流での濃度過電圧が小さくなり、電池出力が増大する。
(ii)空気流路上流のガス流速が小さくなる。凝縮水の蒸発速度が低減し、ドライアップを抑制できる。
水素流路（燃料ガス流路）側については、
(i) 水素上流の水素濃度／流速が増加して、カソード→アノードへの逆拡散（Back Diffusion）量が増加し、空気下流での水詰まりを緩和する。
(ii)水素下流のガス流速が小さくなって、凝縮水の蒸発速度が低減し、ドライアップを抑制できる。
カウンタフローにより、水素の流速増加部と空気の流速減少部とが電解質膜の表裏でうまく対応し、逆に水素の流速減少部と空気の流速増加部とが電解質膜の表裏でうまく対応する。その結果、空気側と水素側が相乗的に作用しあって、空気下流での濃度過電圧低減作用と、空気上流の電解質膜ドライアップ抑制作用とが、増大される。
【００１９】
本発明の実施例２では、図６〜図８に示すように、燃料ガス流路２７と酸化ガス流路２８は、流れ方向にセグメント化され、蛇行している。
本発明の実施例２の構成は、燃料ガスと空気を（近似的に）対向流にした流路構造において、空気流路（酸化ガス流路２８）の形状は、流路に沿った空気流速が一定または速くなるように流路断面積が下流にいくに従って絞られる形状となっており、水素流路（燃料ガス流路２７）の形状は、その流路に沿った燃料ガスの流速が一定または遅くなるように流路断面積が下流にいくに従って拡がる形状となっている。上記で、「近似的に対向流」とは、局部的には同じ向きの流れでもよいが、燃料ガスの入口と空気の出口が対応し、燃料ガスの出口と空気の入口が対応して、全体的には対向流となっていればよいという意味である。
【００２０】
本発明の実施例２の作用については、燃料ガスと空気を（近似的に）対向流となっているので、燃料ガス入口の高流速は、空気出口におけるカソードの水詰まりの緩和に寄与するため、電流密度分布集中を防止する効果があるとともに、燃料ガス入口の高流速がアノードへの水逆拡散を促進し、無加湿または低加湿の場合の自己加湿機能に都合よく働く。
【００２１】
本発明の実施例３では、図９〜図１１に示すように、燃料ガス流路２７と酸化ガス流路２８は、各々、セパレータの面に形成された複数の流路溝の群、および／または、セパレータの面に形成された複数の凸部によって隣接するセパレータの面間に形成されたスペースからなる流路を有し、該流路の、セパレータ正面視での外形形状は台形状であり、該外形台形状の流路はセル外形が長方形となるように、偶数（図では、２個の場合を示すが、４個、６個などであってもよい）組み合わされている。この場合、台形の斜面が、これと組み合わされる台形の斜面に対応するように、組み合わされる。
本発明の実施例３の作用については、セル外形が長方形となるので、車両などへの搭載性がよい。
【００２２】
本発明の実施例４では、図１２〜図１５に示すように、燃料ガス流路２７と酸化ガス流路２８の流路断面積は、流路幅を一定にして流路深さを変えることにより、変えられている。ただし、セパレータ１８の厚さは、流体の流れ方向に一定である。
空気の流れの向きと水素の流れの向きは、互いに逆である。水の流れの向きは空気の流れの向きと同じである。
空気流路（酸化ガス流路２８）の深さは入口から出口に向かって浅くなる。
水素流路（燃料ガス流路２７）の深さは入口から出口に向かって深くなる。
冷媒流路２６の深さは一定である。
本発明の実施例４の作用については、流路断面積を変化させても、セパレータ厚みは一定であるので、ＭＥＡとセパレータ１８を積層しても、セル積層体は鉛直姿勢を維持することができ、締結荷重を均一にかけるにの都合がよく、かつ車両などへの搭載性がよい。
【００２３】
【発明の効果】
請求項１〜６の燃料電池によれば、電解質膜を挟んだ燃料ガス（水素）と酸化ガス（空気）の流れの向きを逆にし、燃料ガス流路と酸化ガス流路の両方の流路断面積を流れ方向に変化させ、酸化ガス流路の流路断面積を下流ほど絞り、燃料ガス流路の流路断面積を下流ほど拡げたので、酸化ガス下流での濃度過電圧を低減できて電池出力を増大でき、無加湿または低加湿運転時の酸化ガス上流対応部の電解質膜のドライアップを抑制できる。
請求項１の燃料電池によれば、
イ）酸化ガス流路の流路断面積を下流ほど絞ったことにより、
(i) 酸化ガス流路下流部のガス流速が大となり、それによって境界層が薄くなる。また、凝縮水を吹き払う力が大きくなる。これによって酸素のカソードへの拡散をよくすることができる。また、
(ii)酸化ガス流路上流部のガス流速が小さくなり、それによって蒸発速度が遅くなって、酸化ガス流路上流部で電解質膜が乾きにくくなる。
ロ）燃料ガス流路の流路断面積を下流ほど拡げたことにより、
(i) 燃料ガス流路上流部のガス流速が大となり、それによってアノードでの凝縮水の蒸発速度が増加し、酸化ガス流路下流部のフラッディングを抑制できる。また、
(ii)燃料ガス流路下流部のガス流速が小さくなり、境界層が厚くなり、ドライアップが抑制できる。
水素と空気の逆向き流れ（カウンタフロー）と、流路断面積の変化による流速の変化を、酸化ガス流路下流部での濃度過電圧増大抑制作用、および酸化ガス流路上流部位の電解質膜乾き防止作用に、相乗的に働かせることができる。
請求項２の燃料電池によれば、冷媒流路と酸化ガス流路で流れの向きを同じ向きとしたので、乾きやすい酸化ガス流路上流部の温度が下降し、凝縮環境になって電解質膜のドライアップを抑制できる。また、湿潤しやすい酸化ガス流路下流部の温度が上昇し、飽和蒸気圧が高くなって凝縮しにくくなり、フラッディングを抑制できる。
請求項３の燃料電池によれば、燃料ガス流路と酸化ガス流路の流路断面積が、流路深さを一定にして流路幅を変えることにより、変えられているので、カウンタフローのため、燃料ガス流路の狭幅の上流部と酸化ガス流路の狭幅の下流部が対応し、燃料ガス流路の広幅の下流部と酸化ガス流路の広幅の上流部が対応できるので、形状的に対応し、１つのセパレータの表裏に本発明の酸化ガス流路と燃料ガス流路を形成することができる。
請求項４の燃料電池によれば、燃料ガス流路と酸化ガス流路は、セグメント化され、蛇行しているので、近似的に流れを対向させることが容易にできる。
請求項５の燃料電池によれば、燃料ガス流路と前記酸化ガス流路は、各々、セパレータの面に形成された複数の流路溝の群、および／または、セパレータの面に形成された複数の凸部によって隣接するセパレータの面間に形成されたスペースからなる流路を有し、該流路の、セパレータ正面視での外形形状は台形状であり、該台形状の流路はセル外形が長方形となるように偶数組み合わされているので、流路は台形にかかわらずセル外形形状が長方形となって、車両などへの搭載が便利になる。
請求項６の燃料電池によれば、燃料ガス流路と酸化ガス流路の流路断面積が、流路幅を一定にして流路深さを変えることにより、変えられているので、セル外形形状を長方形などの通常の形状とすることができ、車両などへの搭載が便利になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の燃料電池の全体概略図である。
【図２】本発明の燃料電池の一部拡大断面図である。
【図３】本発明の実施例１の燃料電池のセパレータの酸化ガス流路（空気流路）の正面図である。
【図４】本発明の実施例１の燃料電池のセパレータの燃料ガス流路（水素流路）の正面図である（図３と同じ方向から見たもの）。
【図５】本発明の実施例１の燃料電池のセパレータの冷媒流路の正面図（図３と同じ方向から見たもの）である。
【図６】本発明の実施例２の燃料電池のセパレータの酸化ガス流路（空気流路）の正面図である。
【図７】本発明の実施例２の燃料電池のセパレータの燃料ガス流路（水素流路）の正面図である（図６と同じ方向から見たもの）。
【図８】本発明の実施例２の燃料電池のセパレータの燃料ガス（水素流路）冷媒流路の正面図（図６と同じ方向から見たもの、図７の例とは異なる）である。
【図９】本発明の実施例３の燃料電池のセパレータの酸化ガス流路（空気流路）の正面図である。
【図１０】本発明の実施例３の燃料電池のセパレータの燃料ガス流路（水素流路）の正面図である（図９と同じ方向から見たもの）。
【図１１】本発明の実施例３の燃料電池のセパレータの冷媒流路の正面図（図９と同じ方向から見たもの）である。
【図１２】本発明の実施例４の燃料電池のＭＥＡ（＋拡散層）とその両側のセパレータからなるモジュールの断面図である。
【図１３】本発明の実施例４の燃料電池のセパレータの酸化ガス流路（空気流路）の正面図である。
【図１４】本発明の実施例４の燃料電池のセパレータの燃料ガス流路（水素流路）の正面図である（図１３と同じ方向から見たもの）。
【図１５】本発明の実施例４の燃料電池のセパレータの冷媒流路の正面図（図１３と同じ方向から見たもの）である。
【符号の説明】
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
１８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テンションプレート
２５ボルト
２６冷媒流路（冷媒が水の場合は冷却水流路）
２７燃料ガス流路（水素流路）
２８酸化ガス流路（空気流路）
２９セル
３０冷媒マニホールド
３１燃料ガスマニホールド
３２酸化ガスマニホールド[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
  The present invention relates to a fuel cell, and more particularly to a flow path structure of a solid polymer electrolyte fuel cell.
[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. A membrane-electrode assembly (MEA) consisting of an electrode (cathode, air electrode) consisting of a catalyst layer and a diffusion layer, an anode formed on the separator, a fuel gas (hydrogen) and an oxidizing gas (oxygen) on the cathode The cell is composed of a fluid flow path for supplying air (usually air), and a module is formed by stacking at least one layer of MEA and a separator, and a cell stack is formed by stacking the modules. A stack is formed by arranging terminals, insulators, and end plates at both ends in the stacking direction, and the stack is clamped in the stacking direction of the cell. And a fastening member (for example, a tension plate, which constitutes a part of the stack) and bolts extending in the cell stacking 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 generated at the anode of the MEA come through the separator, or the electrons generated at the cell at one end of the cell stack come to the cell at the other end of the cell stack through an external circuit).
Anode side: H₂→ 2H⁺+ 2e^-
Cathode side: 2H⁺+ 2e^-+ (1/2) O₂→ H₂O
In order to cool the Joule heat and the heat in the water generation reaction at the cathode, a refrigerant flow path through which a refrigerant (usually cooling water) flows is formed between the separators for each cell or a plurality of cells. And cooling the fuel cell.
The downstream portion of the oxidizing gas flow path is likely to be excessively wet (flooding) due to the generated water, and when flooding occurs, the diffusion of the oxidizing gas to the electrode is reduced and the output performance of the battery is lowered. If the oxidizing gas is supplied with no humidification or low humidification even when humidified, the upstream portion of the oxidizing gas flow path easily causes the electrolyte membrane to dry, and when the electrolyte membrane dries, the movement of hydrogen ions in the electrolyte membrane is suppressed, Battery output performance is reduced.
Japanese Patent Laid-Open No. 2000-82482A discloses a fuel cell in which hydrogen (fuel gas) and air (oxidizing gas) are flowed in opposite directions and refrigerant is flowed in the same direction as oxygen. By adopting this structure, self-circulation of moisture in the cell is promoted and moisture condensing conditions are established in the upstream part of the air flow path, and flooding in the downstream part of the oxidizing gas flow path and dry up of the electrolyte membrane in the upstream part are achieved. Alleviated.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
  However, the fuel cell disclosed in JP 2000-82482 A still has the following problems to be solved.
(i) The concentration overvoltage downstream of the air flow path (oxidizing gas flow path) increases (“Concentration overvoltage increases” means that oxygen is difficult to diffuse to the cathode, diffusion loss increases, and output decreases. ).
(ii) During non-humidification or low humidification operation, the electrolyte membrane upstream of the air channel (oxidizing gas channel) is likely to dry.
The reason why the above problem occurs is as follows.
★ Reason for the above problem (i)
1) Since oxygen is consumed in the power generation reaction, the oxygen concentration downstream of the air channel (oxidizing gas channel) is small.
2) The gas flow rate downstream of the air channel (oxidizing gas channel) is small.
-The boundary film (boundary layer) between the air and the three-phase interface becomes thick, and the air diffusibility decreases.
・ Power to blow off condensed water is weakened.
★ Reason for the above problem (ii)
1) The gas flow rate upstream of the air channel (oxidizing gas channel) is large.
The condensed water is easily taken away by the air flow, and the evaporation rate of the condensed water upstream of the air flow path (oxidizing gas flow path) increases.
The object of the present invention is to reduce the concentration overvoltage downstream of the oxidant gas flow path (can improve the diffusion of oxygen to the cathode), and the electrolyte membrane upstream of the oxidant gas flow path even during non-humidification or low humidification operation. The object is to provide a fuel cell capable of suppressing dryness.
[0004]
[Means for Solving the Problems]
  The present invention for achieving the above object is as follows.
(1) The flow direction of the fuel gas channel and the oxidizing gas channel sandwiching the electrolyte membrane is reversed, and the fuel gas channel and the oxidizing gas channelBothThe cross-sectional area of the fuel gas is changed in the flow direction, the cross-sectional area of the fuel gas flow path is increased from upstream to downstream in the fuel gas flow direction, and the oxidizing gas flow path is increased from upstream to downstream in the oxidizing gas flow direction. A fuel cell with a reduced cross-sectional area.
(2) The fuel cell according to (1), wherein the fuel cell has a refrigerant flow path, and the flow directions of the refrigerant flow path and the oxidizing gas flow path are the same.
(3) The flow path cross-sectional area of the fuel gas flow path and the oxidant gas flow path is changed by changing the flow path width while keeping the flow path constant. (1) or (2) Fuel cell.
(4) The fuel cell according to (1), wherein the fuel gas channel and the oxidizing gas channel are segmented and meandered.
(5) The fuel gas channel and the oxidizing gas channel are adjacent to each other by a group of a plurality of channel grooves formed on the surface of the separator and / or a plurality of protrusions formed on the surface of the separator. A channel formed by a space formed between the surfaces of the separator, the outer shape of the channel in a front view of the separator is trapezoidal, and the trapezoidal channel has a rectangular cell outer shape. (1) or (2) or (3).
(6) The flow path cross-sectional area of the fuel gas flow path and the oxidizing gas flow path is changed by changing the flow path depth while keeping the flow path width constant. Fuel cell.
[0005]
  In the fuel cells of the above (1) to (6), the flow direction of the fuel gas (hydrogen) and the oxidizing gas (air) sandwiching the electrolyte membrane is reversed, and the fuel gas passage and the oxidizing gas passageBothSince the flow path cross-sectional area is changed in the flow direction, the downstream of the oxidizing gas flow path is narrowed and the upstream of the fuel gas flow path is narrowed, the concentration overvoltage downstream of the oxidizing gas flow path is reduced. In addition, since the upstream side of the oxidizing gas channel is expanded and the downstream side of the fuel gas channel is expanded, drying of the upstream side of the oxidizing gas channel is suppressed.
In the fuel cell of the above (1), since the oxidizing gas channel is narrowed downstream and the fuel gas channel is expanded downstream, the action of air and hydrogen works synergistically, and the downstream of the oxidizing gas channel. The concentration overvoltage at 1 is reduced, and the effect of suppressing the drying of the electrolyte membrane upstream of the oxidizing gas flow path is increased.
In the fuel cell of the above (2), since the flow direction is the same in the refrigerant flow path and the oxidizing gas flow path, the temperature of the upstream portion of the oxidizing gas flow path that is easy to dry decreases, and a condensation environment is formed. Dry-up is suppressed. In addition, the temperature in the downstream portion of the oxidizing gas channel that is easily wetted rises, the saturated vapor pressure becomes high, it becomes difficult to condense, and flooding is suppressed. Therefore, the action in the above (1) is promoted.
In the fuel cell of the above (3), the flow path cross-sectional areas of the fuel gas flow path and the oxidation gas flow path are changed by changing the flow path width while keeping the flow path depth constant. Therefore, the narrow upstream part of the fuel gas channel and the narrow downstream part of the oxidizing gas channel correspond well, and the wide downstream part of the fuel gas channel and the wide upstream part of the oxidizing gas channel correspond well In addition, the oxidizing gas passage and the fuel gas passage of the present invention can be formed on the front and back of one separator.
In the fuel cell of the above (4), the fuel gas flow path and the oxidizing gas flow path are segmented and meandered, so that the flows can be easily made to face each other approximately.
In the fuel cell of the above (5), the fuel gas channel and the oxidizing gas channel each include a group of a plurality of channel grooves formed on the separator surface and / or a plurality of channels formed on the separator surface. Having a channel formed by a space formed between adjacent separator surfaces, the outer shape of the channel in a front view of the separator is trapezoidal, and the trapezoidal channel is a cell outer shape. Are evenly combined so as to be rectangular, the flow path is rectangular regardless of the trapezoidal shape, and is convenient to mount on a vehicle or the like.
In the fuel cell of the above (6), since the cross-sectional areas of the fuel gas channel and the oxidizing gas channel are changed by changing the channel depth while keeping the channel width constant, the cell outer shape Can be made into a rectangle, which makes it convenient to install on a vehicle.
[0006]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
  Below, the fuel cell of this invention is demonstrated with reference to FIGS. 1 and 2 are applicable to any embodiment of the present invention, FIGS. 3 to 5 show Embodiment 1 of the present invention, and FIGS. 6 to 8 show Embodiment 2 of the present invention. 9 to 11 show a third embodiment of the present invention, and FIGS. 12 to 15 show a fourth embodiment of the present invention. Portions that are common or similar throughout all the embodiments of the present invention are denoted by the same reference numerals throughout the embodiments of the present invention.
First, common or similar parts throughout the embodiments of the present invention will be described with reference to FIGS.
[0007]
  The fuel cell of the present invention is a solid polymer electrolyte fuel cell 10. The solid polymer electrolyte fuel cell 10 is mounted on, for example, a fuel cell vehicle. However, it may be used other than an automobile.
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 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 The diffusion layers 13 and 16 may be formed separately from the electrode and the MEA), and the fuel gas (hydrogen) and the oxidizing gas (oxygen, usually air) are formed on the electrodes 14 and 17 formed on the separator 18. The cell 29 is composed of fluid flow paths 27 and 28 (fuel gas flow path 27 and oxidant gas flow path 28) for supplying water and a refrigerant flow path 26 through which a coolant for cooling the fuel cell (usually cooling water) flows. And a module 19 is formed from one or more cells by stacking one or more layers of MEA and separator, and a module stack is formed by stacking the modules 19, and terminals 20 and insulators are formed at both ends of the cell stack in the cell stacking direction. 21. End plate 22 is arranged to constitute stack 23, and stack 23 is clamped in the stacking direction, and fastening member 24 extending in the cell stacking direction outside the cell stack (for example, the tension plate forms part of the stack) And fixed with bolts 25.
[0008]
  In the pair of separators 18 sandwiching the MEA, a fuel gas flow path 27 is formed on the surface facing the MEA of the separator located on one side of the MEA, and the separator MEA located on the other side of the same MEA An oxidizing gas flow path 28 is formed on the opposing surface. The fuel gas channel 27 and the oxidizing gas channel 28 of each cell are connected to a fuel gas manifold 31 and an oxidizing gas manifold 32 that continuously extend in the cell stacking direction of the cell stack.
The refrigerant flow path 26 is provided for each cell or for each of a plurality of cells. For example, in FIG. 2, the module 19 is composed of two cells 29, and one refrigerant channel 26 is provided for each module 19. Each refrigerant flow path 26 is connected to a refrigerant manifold 30 that extends continuously in the cell stacking direction of the cell stack.
The separator 18 partitions the fuel gas and the oxidizing gas, or partitions the cooling water, the fuel gas, and the oxidizing gas. The separator 18 also forms an electrical path through which electrons flow from the anode of the adjacent cell to the cathode.
[0009]
  The separator 18 is made of either a carbon plate, a resin plate mixed with conductive particles (for example, carbon particles) or a conductive plate, or a metal plate.
The fluid flow paths 27, 28, and 26 formed in the separator 18 are from a group of a plurality of flow path grooves formed on the surface of the separator 18 (which may be either one separator or two separators that are in surface contact). Or a space formed between the surfaces of adjacent separators by a large number of convex portions formed on the surface of the separator 18, or a space formed by both the flow channel groove and the convex portion. Either way.
When the separator 18 is made of a carbon plate or a resin plate, the fluid flow paths 27, 28, and 26 are formed by molding when the separator 18 is molded. When the separator 18 is made of a metal plate, the fluid flow paths 27, 28, and 26 are formed by press molding when the separator 18 is molded, or are formed by etching or the like.
[0010]
  In the present invention, the fluid flow paths 26, 27, and 28 are configured as follows.
The flow direction of the fuel gas channel 27 and the oxidant gas channel 28 sandwiching the electrolyte membrane 11 is reversed (counter flow). Further, the direction of the flow of the refrigerant flowing through the refrigerant flow path 26 and the direction of the flow of the oxidizing gas flowing through the oxidizing gas flow path 28 are the same.
In addition, the cross-sectional areas of the fuel gas passage 27 and the oxidizing gas passage 28 are changed in the flow direction. It is desirable to change the channel cross-sectional areas of both the fuel gas channel 27 and the oxidizing gas channel 28. When changing the flow path cross-sectional area of the fuel gas flow path 27, the flow path cross-sectional area is increased from upstream to downstream in the fuel gas flow direction. When changing the cross-sectional area of the oxidizing gas passage 28, the cross-sectional area of the oxidizing gas passage 28 is decreased from upstream to downstream in the oxidizing gas flow direction.
[0011]
  The flow path cross-sectional area of the fuel gas flow path 27 and the oxidant gas flow path 28 is such that the flow path width (or the width of the flow path groove group when the flow path is composed of flow path grooves) is changed with the flow path depth being constant. Or the flow path width (or the width of the flow groove group when the flow path is made of flow grooves) is changed to change the flow depth (the thickness of the separator is the same). And changing the depth of the flow path formed therein).
When the flow path width is changed to change the cross-sectional area of the fuel gas flow path 27 and the oxidizing gas flow path 28, the flow path width may be gradually changed or may be changed stepwise ( (A combination of a portion having a constant flow path width and a portion that increases or decreases stepwise).
[0012]
  Next, the operation of parts common or similar to all the embodiments of the present invention will be described.
Since the flow directions of the fuel gas (hydrogen) and the oxidizing gas (air) sandwiching the electrolyte membrane 11 are reversed, the cross-sectional areas of the fuel gas flow channel 27 and the oxidizing gas flow channel 28 are changed in the flow direction ( For example, the oxidizing gas flow path 28 is throttled downstream and the fuel gas flow path 27 is expanded downstream). In the following description, (i) and (ii) correspond to the problems (i) and (ii) described in “Problems to be solved by the present invention”, respectively.
[0013]
B) When the cross-sectional area of the oxidizing gas passage 28 is narrowed toward the downstream
(i) The gas flow rate in the downstream portion of the oxidizing gas flow path 28 becomes larger (compared to the upstream portion). Also,
(ii) The gas flow velocity in the upstream portion of the oxidizing gas flow path 28 is small (compared to the downstream portion).
as a result,
(i) “The gas flow velocity in the downstream portion of the oxidizing gas passage 28 is increased”, so that the cathode boundary layer is thinned and diffusion is improved. Further, the condensed water is blown away, and the diffusion of oxygen to the cathode 17 is improved, thereby increasing the battery output. Also,
(ii) “The gas flow velocity in the upstream portion of the oxidizing gas flow path 28 becomes small”, the cathode boundary layer becomes thick, the evaporation rate becomes small, and the electrolyte membrane 11 becomes difficult to dry in the upstream portion of the oxidizing gas flow path 28. .
[0014]
B) When the cross-sectional area of the fuel gas passage 27 is expanded toward the downstream
(i) The gas flow rate upstream of the fuel gas flow path 27 is increased. Also,
(ii) The gas flow velocity in the downstream portion of the fuel gas passage 27 is reduced.
as a result,
(i) “The gas flow velocity in the upstream portion of the fuel gas passage 27 becomes large”, the anode boundary layer in the upstream portion of the fuel gas passage 27 becomes thin, and the evaporation rate of condensed water in the anode 14 increases. Moisture in the downstream portion of the oxidizing gas flow path 28 is drawn out to the hydrogen side inlet through the electrolyte membrane 11, and flooding in the downstream portion of the oxidizing gas flow path 28 is suppressed. Also,
(ii) “The gas flow rate in the downstream portion of the fuel gas flow path 27 is reduced”, the anode boundary layer is thickened, the evaporation rate is reduced, and the electrolyte membrane 11 corresponding to the upstream air portion is difficult to dry.
[0015]
  As can be seen from the above, the reverse flow of hydrogen and air (counter flow) and the change in the flow velocity due to the change in the cross-sectional area of the channel are the effects of suppressing the concentration overvoltage increase in the downstream portion of the oxidizing gas channel 28 and the oxidizing gas flow. It works synergistically to prevent the electrolyte membrane from drying up at the upstream portion of the passage 28.
[0016]
  Further, since the flow direction is the same in the refrigerant flow path 26 and the oxidizing gas flow path 28, the temperature of the upstream portion of the oxidizing gas flow path 28 that is easy to dry is lowered, and the electrolyte membrane 11 is dried up due to the condensation environment. It is suppressed. Further, the temperature of the downstream portion of the oxidizing gas flow path 28 that easily wets rises, the saturated vapor pressure becomes high, it becomes difficult to condense, and flooding is suppressed.
[0017]
  Next, the configuration and operation of parts unique to each embodiment of the present invention will be described.
Example 1 of the present invention is a fuel cell in which the flow directions of the fuel gas channel 27 and the oxidizing gas channel 28 sandwiching the electrolyte membrane 11 are reversed as shown in FIGS. In the fuel gas flow path 27, the cross-sectional area of the flow path is increased from upstream to downstream in the fuel gas flow direction, and in the oxidation gas flow path 28, the flow path cross-sectional area is decreased from upstream to downstream in the oxidation gas flow direction.
The flow directions of the refrigerant flow path 26 and the oxidizing gas flow path 28 are the same.
The cross-sectional area of the fuel gas flow channel 27 and the oxidant gas flow channel 28 is the flow channel width (if the flow channel is made up of a flow channel groove group), the flow channel width is constant, It is changed by changing.
In the cell having this flow path width structure, the outer shape of the separator 18 is a trapezoid, and the outer shape is a trapezoidal cell. In this trapezoid, the horizontal width of the air flow path (oxidizing gas flow path) is wide upstream and the downstream is narrow, and conversely, the horizontal width of the hydrogen flow path (fuel gas flow path) is narrow upstream and wide downstream. In this case, because of the counter flow, narrowing the cross-sectional area of the oxidizing gas flow path toward the downstream and expanding the cross-sectional area of the fuel gas flow path toward the downstream correspond to each other in shape. The oxidant gas passage and the fuel gas passage of the present invention can be formed on the front and back sides.
[0018]
  Regarding the operation of the first embodiment of the present invention,
(i) The gas flow velocity downstream of the air flow path (oxidizing gas flow path) is increased, the diffusibility of oxygen to the cathode is improved, and the power to blow off condensed water is increased. As a result, the concentration overvoltage downstream of the air flow path (oxidizing gas flow path) decreases, and the battery output increases.
(ii) The gas flow rate upstream of the air flow path is reduced. The evaporation rate of condensed water is reduced, and dry-up can be suppressed.
For the hydrogen channel (fuel gas channel) side,
(i) The hydrogen concentration / flow rate upstream of hydrogen increases, the amount of back diffusion from the cathode to the anode increases, and water clogging downstream of the air is alleviated.
(ii) The gas flow rate downstream of hydrogen is reduced, the evaporation rate of condensed water is reduced, and dry-up can be suppressed.
By the counter flow, the hydrogen flow velocity increasing portion and the air flow velocity decreasing portion correspond well on the front and back of the electrolyte membrane, and conversely, the hydrogen flow velocity decreasing portion and the air flow velocity increasing portion correspond well on the front and back of the electrolyte membrane. As a result, the air side and the hydrogen side act synergistically to increase the concentration overvoltage reduction effect downstream of the air and the electrolyte membrane dry-up suppression effect upstream of the air.
[0019]
  In Example 2 of the present invention, as shown in FIGS. 6 to 8, the fuel gas channel 27 and the oxidizing gas channel 28 are segmented and meandered in the flow direction.
The configuration of the second embodiment of the present invention is that a flow path structure in which fuel gas and air are (approximately) opposed flows, and the shape of the air flow path (oxidizing gas flow path 28) is an air flow velocity along the flow path. The flow passage cross-sectional area is narrowed so as to become constant or faster, and the hydrogen flow passage (fuel gas flow passage 27) has a constant flow rate of fuel gas along the flow passage. Or it becomes the shape which a flow-path cross-sectional area spreads as it goes downstream so that it may become late. In the above, “approximate counter flow” may be locally the same flow direction, but the fuel gas inlet corresponds to the air outlet, the fuel gas outlet corresponds to the air inlet, It means that the counter flow is generally sufficient.
[0020]
  Regarding the operation of the second embodiment of the present invention, the fuel gas and the air are (approximately) opposed flows, so the high flow velocity at the fuel gas inlet contributes to the relief of the clogging of the cathode at the air outlet. In addition to the effect of preventing the concentration of current density distribution, the high flow velocity at the fuel gas inlet promotes water back diffusion to the anode, and works favorably for the self-humidification function when there is no humidification or low humidification.
[0021]
  In Embodiment 3 of the present invention, as shown in FIGS. 9 to 11, the fuel gas channel 27 and the oxidizing gas channel 28 are each composed of a group of a plurality of channel grooves formed on the surface of the separator, and / or Alternatively, it has a flow path composed of a space formed between adjacent separator faces by a plurality of protrusions formed on the separator face, and the outer shape of the flow path in the front view of the separator is trapezoidal. The outer shape trapezoidal flow paths are combined evenly (in the figure, two cases are shown, but four, six, etc. may be used) so that the cell outer shape is rectangular. In this case, the trapezoidal slope is combined so as to correspond to the trapezoidal slope combined therewith.
About the effect | action of Example 3 of this invention, since a cell external shape becomes a rectangle, the mounting property to a vehicle etc. is good.
[0022]
  In Embodiment 4 of the present invention, as shown in FIGS. 12 to 15, the cross-sectional areas of the fuel gas flow channel 27 and the oxidizing gas flow channel 28 change the flow channel depth while keeping the flow channel width constant. It has been changed by. However, the thickness of the separator 18 is constant in the fluid flow direction.
The direction of air flow and the direction of hydrogen flow are opposite to each other. The direction of water flow is the same as the direction of air flow.
The depth of the air channel (oxidizing gas channel 28) becomes shallower from the inlet toward the outlet.
The depth of the hydrogen channel (fuel gas channel 27) increases from the inlet toward the outlet.
The depth of the refrigerant flow path 26 is constant.
Regarding the operation of Example 4 of the present invention, since the separator thickness is constant even if the flow path cross-sectional area is changed, the cell stack can maintain the vertical posture even if the MEA and the separator 18 are stacked. This is convenient for applying the fastening load uniformly and is easy to mount on a vehicle.
[0023]
【Effect of the invention】
  According to the fuel cell of claims 1 to 6, the flow direction of the fuel gas (hydrogen) and the oxidizing gas (air) sandwiching the electrolyte membrane is reversed, and the fuel gas passage and the oxidizing gas passageBothThe flow cross-sectional area was changed in the flow direction, the flow cross-sectional area of the oxidant gas flow path was narrowed downstream, and the cross-sectional area of the fuel gas flow path was expanded downstream, so the concentration overvoltage downstream of the oxidant gas was reduced. The battery output can be increased and the dryness of the electrolyte membrane in the upstream portion corresponding to the oxidizing gas during non-humidification or low humidification operation can be suppressed.
Claim1According to the fuel cell
B) By narrowing the cross-sectional area of the oxidizing gas flow path to the downstream,
(i) The gas flow velocity in the downstream portion of the oxidizing gas flow path is increased, thereby making the boundary layer thinner. Moreover, the force which blows off condensed water becomes large. This improves the diffusion of oxygen to the cathode. Also,
(ii) The gas flow rate in the upstream portion of the oxidizing gas flow path is reduced, thereby reducing the evaporation rate, and the electrolyte membrane is difficult to dry in the upstream portion of the oxidizing gas flow path.
B) By expanding the cross-sectional area of the fuel gas channel toward the downstream,
(i) The gas flow rate in the upstream portion of the fuel gas channel is increased, thereby increasing the evaporation rate of condensed water at the anode, and flooding in the downstream portion of the oxidizing gas channel can be suppressed. Also,
(ii) The gas flow velocity in the downstream portion of the fuel gas flow path is reduced, the boundary layer is thickened, and dry-up can be suppressed.
The reverse flow of hydrogen and air (counter flow) and the change in flow velocity due to the change in the cross-sectional area of the channel, the action of suppressing the concentration overvoltage increase in the downstream part of the oxidizing gas channel, and the drying of the electrolyte membrane in the upstream part of the oxidizing gas channel It can work synergistically to prevent action.
According to the fuel cell of claim 2, since the flow direction is the same in the refrigerant channel and the oxidant gas channel, the temperature in the upstream portion of the oxidant gas channel that is easy to dry decreases, and a condensation environment is formed. Drying up can be suppressed. In addition, the temperature in the downstream portion of the oxidizing gas channel that is easily wetted rises, the saturated vapor pressure becomes high, it becomes difficult to condense, and flooding can be suppressed.
According to the fuel cell of claim 3, since the cross-sectional area of the fuel gas channel and the oxidizing gas channel is changed by changing the channel width while keeping the channel depth constant, the counter flow Therefore, the narrow upstream part of the fuel gas channel corresponds to the narrow downstream part of the oxidizing gas channel, and the wide downstream part of the fuel gas channel can correspond to the wide upstream part of the oxidizing gas channel. Therefore, corresponding to the shape, the oxidizing gas channel and the fuel gas channel of the present invention can be formed on the front and back of one separator.
According to the fuel cell of the fourth aspect, the fuel gas flow path and the oxidizing gas flow path are segmented and meandering, so that the flows can be easily made to face each other approximately.
According to the fuel cell of claim 5, the fuel gas channel and the oxidizing gas channel are each formed in a group of a plurality of channel grooves formed on the separator surface and / or on the separator surface. It has a flow path consisting of a space formed between the surfaces of adjacent separators by a plurality of convex portions, and the external shape of the flow path in the front view of the separator is trapezoidal, and the trapezoidal flow path is a cell Since the even numbers are combined so that the outer shape is rectangular, the flow channel is rectangular regardless of the trapezoidal shape, and the cell outer shape is rectangular, which makes it convenient to mount on a vehicle or the like.
According to the fuel cell of claim 6, since the cross-sectional area of the fuel gas channel and the oxidizing gas channel is changed by changing the channel depth while keeping the channel width constant, The shape can be a normal shape such as a rectangle, which is convenient for mounting on a vehicle or the like.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an overall schematic view of a fuel cell of the present invention.
FIG. 2 is a partially enlarged cross-sectional view of the fuel cell of the present invention.
FIG. 3 is a front view of an oxidizing gas flow path (air flow path) of the separator of the fuel cell according to the first embodiment of the present invention.
4 is a front view of a fuel gas flow path (hydrogen flow path) of the separator of the fuel cell according to the first embodiment of the present invention (viewed from the same direction as FIG. 3).
5 is a front view (seen from the same direction as FIG. 3) of the refrigerant flow path of the separator of the fuel cell of Example 1 of the present invention. FIG.
FIG. 6 is a front view of an oxidizing gas flow path (air flow path) of a separator of a fuel cell according to Embodiment 2 of the present invention.
7 is a front view of a fuel gas channel (hydrogen channel) of a separator of a fuel cell according to Example 2 of the present invention (viewed from the same direction as FIG. 6).
8 is a front view of a fuel gas (hydrogen channel) refrigerant channel of a separator of a fuel cell according to Example 2 of the present invention (as viewed from the same direction as FIG. 6, different from the example of FIG. 7). .
FIG. 9 is a front view of an oxidizing gas channel (air channel) of a separator of a fuel cell according to Example 3 of the present invention.
10 is a front view of a fuel gas channel (hydrogen channel) of a separator of a fuel cell according to Example 3 of the present invention (viewed from the same direction as FIG. 9).
11 is a front view (seen from the same direction as FIG. 9) of the refrigerant flow path of the separator of the fuel cell of Example 3 of the present invention. FIG.
FIG. 12 is a cross-sectional view of a module including an MEA (+ diffusion layer) and separators on both sides of the fuel cell of Example 4 of the present invention.
FIG. 13 is a front view of an oxidizing gas channel (air channel) of a separator of a fuel cell according to Example 4 of the present invention.
14 is a front view of a fuel gas channel (hydrogen channel) of a separator of a fuel cell according to Example 4 of the present invention (viewed from the same direction as FIG. 13).
15 is a front view of a refrigerant flow path of a separator of a fuel cell according to Example 4 of the present invention (viewed from the same direction as FIG. 13).
[Explanation of symbols]
10 (Solid polymer electrolyte type) Fuel cell
11 Electrolyte membrane
12 Catalyst layer
13 Diffusion layer
14 electrodes (anode, fuel electrode)
15 Catalyst layer
16 Diffusion layer
17 electrodes (cathode, air electrode)
18 Separator
18 Separator
19 modules
20 terminal
21 Insulator
22 End plate
23 stacks
24 Tension plate
25 volts
26 Refrigerant channel (Cooling water channel when coolant is water)
27 Fuel gas channel (hydrogen channel)
28 Oxidizing gas flow path (air flow path)
29 cells
30 Refrigerant manifold
31 Fuel gas manifold
32 Oxidizing gas manifold

Claims

電解質膜を挟んだ燃料ガス流路と酸化ガス流路の流れの向きを逆向きとし、前記燃料ガス流路と前記酸化ガス流路の両方の流路断面積を流れ方向に変化させ、前記燃料ガス流路を燃料ガス流れ方向に上流から下流へ流路断面積を拡大させ、前記酸化ガス流路を酸化ガス流れ方向に上流から下流へ流路断面積を減少させた燃料電池。The flow direction of the fuel gas channel and the oxidizing gas channel sandwiching the electrolyte membrane is reversed, and the cross-sectional areas of both the fuel gas channel and the oxidizing gas channel are changed in the flow direction, and the fuel A fuel cell in which a gas channel has an enlarged channel cross-sectional area from upstream to downstream in the fuel gas flow direction, and the oxidizing gas channel has a channel cross-sectional area reduced from upstream to downstream in the oxidizing gas flow direction.

冷媒流路を有し、冷媒流路と酸化ガス流路の流れの向きを同じ向きとした請求項１記載の燃料電池。 The fuel cell according to claim 1, further comprising a refrigerant flow path, wherein the flow direction of the refrigerant flow path and the oxidizing gas flow path are the same.

前記燃料ガス流路と前記酸化ガス流路の流路断面積は、流路深さを一定にして流路幅を変えることにより、変えられている請求項１または請求項２記載の燃料電池。 3. The fuel cell according to claim 1, wherein the flow path cross-sectional areas of the fuel gas flow path and the oxidizing gas flow path are changed by changing a flow path width while keeping a flow path depth constant.

前記燃料ガス流路と前記酸化ガス流路は、セグメント化され、蛇行している請求項１記載の燃料電池。 The fuel cell according to claim 1, wherein the fuel gas channel and the oxidizing gas channel are segmented and meandered.

前記燃料ガス流路と前記酸化ガス流路は、各々、セパレータの面に形成された複数の流路溝の群、および／または、セパレータの面に形成された複数の凸部によって隣接するセパレータの面間に形成されたスペースからなる流路を有し、該流路の、セパレータ正面視での外形形状は台形状であり、該台形状の流路はセル外形が長方形となるように偶数組み合わされている請求項１または請求項２または請求項３記載の燃料電池。 The fuel gas flow path and the oxidizing gas flow path are each a group of a plurality of flow path grooves formed on the surface of the separator and / or a separator adjacent to each other by a plurality of convex portions formed on the surface of the separator. Having a channel formed by a space formed between the surfaces, the outer shape of the channel in the front view of the separator is trapezoidal, and the trapezoidal channels are evenly combined so that the cell outer shape is rectangular. The fuel cell according to claim 1, 2, or 3.

前記燃料ガス流路と前記酸化ガス流路の流路断面積は、流路幅を一定にして流路深さを変えることにより、変えられている請求項１または請求項２記載の燃料電池。 3. The fuel cell according to claim 1, wherein the flow path cross-sectional areas of the fuel gas flow path and the oxidizing gas flow path are changed by changing the flow path depth while keeping the flow path width constant .