JP2002151120A - Gas passage for fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、電解質膜の乾燥、
湿潤過多を防止した燃料電池のガス流路構造に関する。The present invention relates to a method for drying an electrolyte membrane,
The present invention relates to a gas flow path structure for a fuel cell that prevents excessive wetting.
【０００２】[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 Assem
bly ）と、アノード、カソードに燃料ガス（水素）およ
び酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給するための流体
通路または冷却媒体を流すための流路を形成するセパレ
ータとからセルを構成し、複数のセルの積層体からモジ
ュールを構成し、モジュールを積層してモジュール群と
し、モジュール群のセル積層方向両端に、ターミナル、
インシュレータ、エンドプレートを配置してスタックを
構成し、スタックをスタックの外側でセル積層体積層方
向に延びる締結部材（たとえば、テンションプレート、
テンションボルトなど）にて締め付け、固定したものか
らなる。固体高分子電解質型燃料電池では、アノード側
では、水素を水素イオンと電子にする反応が行われ、水
素イオンは電解質膜中をカソード側に移動し、カソード
側では酸素と水素イオンおよび電子（隣りのＭＥＡのア
ノードで生成した電子がセパレータを通してくる）から
水を生成する反応が行われる。 アノード側：Ｈ2 →２Ｈ+ ＋２ｅ- カソード側：２Ｈ+ ＋２ｅ- ＋（１／２）Ｏ2 →Ｈ2 Ｏ カソードでは、エアは入口では乾燥しているが水生成反
応により通路下流（出口）側では水蒸気分が増加し、エ
アの飽和水蒸気量を越えると水滴となる。一方、電解質
膜中を水素イオンが移動するためには電解質膜が適当に
湿潤していることが必要である。電解質膜が乾燥してい
ると膜中のプロトンの移動が阻害され抵抗となるため燃
料電池の性能（出力電圧）が低下する。供給エアを加湿
することで電解質膜の入口側での乾きは防止できるが、
出口で反応生成水による水分過多により通路の水詰まり
が生じ、酸素不足になってカソード側での反応が起こり
にくくなるという問題が生じる。この問題を軽減するた
めに、ガス流路に対して種々の工夫がなされている。た
とえば、 特開平６−１３２０３８号は、燃料ガス、酸化ガス
のそれぞれオフガスと入りガスとの水分交換を行うこと
を開示しており、 特開２０００−１２０５１号は、燃料電池反応面内
で複数に分割した独立ガス流路を有し、スタック端で互
いにガス流路同士を連通させることを開示している。2. Description of the Related Art A polymer electrolyte fuel cell comprises an electrolyte membrane comprising an ion exchange membrane, electrodes (anode and fuel electrode) comprising a catalyst layer and a diffusion layer disposed on one side of the electrolyte membrane, and an electrolyte membrane. Membrane consisting of catalyst layer and diffusion layer electrodes (cathode, air electrode) arranged on the surface
Electrode assembly (MEA: Membrane-Electrode Assem
bly) and a separator forming a fluid passage for supplying a fuel gas (hydrogen) and an oxidizing gas (oxygen, usually air) to the anode and the cathode or a passage for flowing a cooling medium, A module is formed from a stacked body of a plurality of cells, the modules are stacked to form a module group, and a terminal,
A stack is formed by arranging an insulator and an end plate, and a fastening member (for example, a tension plate,
(Tension bolt, etc.). In a solid polymer electrolyte fuel cell, on the anode side, a reaction is performed to convert hydrogen into hydrogen ions and electrons. The hydrogen ions move through the electrolyte membrane to the cathode side, and oxygen and hydrogen ions and electrons (neighboring atoms) move on the cathode side. (The electrons generated at the anode of the MEA pass through the separator) to produce water. Anode side: H 2 → 2H + + 2e - Cathode side: 2H + + 2e − + (１ ／) O 2 → H 2 O In the cathode, the air is dry at the inlet but downstream of the passage (outlet) due to the water generation reaction. On the side, the water vapor content increases, and when it exceeds the saturated water vapor amount of the air, it becomes water droplets. On the other hand, in order for hydrogen ions to move in the electrolyte membrane, it is necessary that the electrolyte membrane is appropriately wet. When the electrolyte membrane is dry, the movement of protons in the membrane is hindered and becomes a resistance, so that the performance (output voltage) of the fuel cell decreases. By humidifying the supply air, drying on the inlet side of the electrolyte membrane can be prevented,
There is a problem that water is clogged in the passage due to excess water due to the reaction product water at the outlet, which causes a shortage of oxygen and a reaction on the cathode side becomes difficult to occur. In order to reduce this problem, various measures have been taken for the gas flow path. For example, JP-A-6-132038 discloses performing water exchange between an off gas and an incoming gas of a fuel gas and an oxidizing gas, respectively. JP-A-2000-12051 discloses that a plurality of water exchanges are performed within a reaction surface of a fuel cell. It discloses that the gas flow path has a divided independent gas flow path and the gas flow paths communicate with each other at the stack end.
【０００３】[0003]
【発明が解決しようとする課題】上記、の従来技術
を組み合わせて、上記の構成の最上流と最下流とにて
ガスの水分交換を行うようにしても、燃料電池の反応面
内での水分分布の均一化は達成されないため、燃料電池
のセルの安定出力が得られない。本発明の目的は、ガス
流路のドライ部分とそれよりウエットな部分とでガスの
水分交換を行うとともに、燃料電池の反応面内での水分
分布の均一化もはかることができる、燃料電池のガス流
路を提供することにある。Even if the above-mentioned prior arts are combined to perform gas moisture exchange at the uppermost stream and the lowermost stream in the above configuration, the water content on the reaction surface of the fuel cell can be reduced. Since uniform distribution is not achieved, a stable output of the cells of the fuel cell cannot be obtained. An object of the present invention is to exchange moisture between gas in a dry portion of a gas flow path and a portion wetter than the gas passage, and to make uniform the distribution of moisture within a reaction surface of the fuel cell. It is to provide a gas flow path.
【０００４】[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） 各セルの発電部のガス流路を発電部では連通し
ない複数のガス流路セグメントに分け、該ガス流路セグ
メントを発電部外のガス流路で直列に接続した燃料電池
のガス流路であって、前記発電部外に、少なくとも１つ
のガス流路セグメントを通過した既反応ガスのガス流路
とガス流路セグメントに流入する前の未反応ガスのガス
流路とを水分透過性のある水交換膜で隔てた構造をもつ
水交換部を設けたことを特徴とする燃料電池のガス流
路。 （２） 各セル内で下流側のガス流路セグメントと上流
側のガス流路セグメントとを隣接させた（１）記載の燃
料電池のガス流路。 （３） 各セル内で下流側のガス流路セグメントの通路
断面積を上流側のガス流路セグメントの通路断面積より
小とした（１）記載の燃料電池のガス流路。 （４） 前記水交換部を、燃料電池スタックのターミナ
ルより外側の部分に配置した（１）記載の燃料電池のガ
ス流路。 （５） 前記水交換部の既反応ガスのガス流路が、セル
の最下流から２番目のガス流路セグメントを通った後の
既反応ガスが流れる既反応ガスのガス流路である（４）
記載の燃料電池のガス流路。 （６） スタックを横置きとし、水交換部をスタックの
上側に配置した（１）記載の燃料電池のガス流路。 （７） スタックを横置きとし、未反応ガスを発電部の
下側に位置する未反応ガスのガス流路から発電部に入れ
既反応ガスにして発電部の上側に位置する既反応ガスの
ガス流路に流し、該既反応ガスを前記発電部の上側の既
反応ガスのガス流路で１ターンさせて発電部に入れて発
電部の下側の既反応ガスのガス流路に流す流路構造と
し、前記発電部の上側の既反応ガスのガス流路を、前記
発電部の下側に位置する未反応ガスのガス流路に未反応
ガスを送る未反応ガスのガス流路と前記水交換膜を介し
て隔てた（６）記載の燃料電池のガス流路。 （８） 前記水交換膜を蛇腹状として平面状の場合より
も表面積を大とした（７）記載の燃料電池のガス流路。 （９） 前記発電部の上側の既反応ガスのガス流路の壁
に該壁に結露する水分を壁につたわせる傾斜部を設け、
該傾斜部の下端部の下方に該傾斜部で集められた水をセ
ル発電部に落下させることなく排除する排除部を設けた
（６）記載の燃料電池のガス流路。The present invention to achieve the above object is as follows. (1) The gas flow path of the fuel cell in which the gas flow path of the power generation unit of each cell is divided into a plurality of gas flow path segments that are not connected to each other in the power generation unit, and the gas flow path segments are connected in series by the gas flow path outside the power generation unit A gas passage of the reacted gas that has passed through at least one gas passage segment and a gas passage of the unreacted gas before flowing into the gas passage segment. A gas flow path for a fuel cell, comprising a water exchange section having a structure separated by a water exchange membrane having a hole. (2) The gas passage of the fuel cell according to (1), wherein the downstream gas passage segment and the upstream gas passage segment are adjacent to each other in each cell. (3) The gas passage of the fuel cell according to (1), wherein the passage cross-sectional area of the downstream gas passage segment in each cell is smaller than the passage cross-sectional area of the upstream gas passage segment. (4) The gas flow path of the fuel cell according to (1), wherein the water exchange unit is disposed outside the terminal of the fuel cell stack. (5) The gas passage of the reacted gas in the water exchange section is a gas passage of the reacted gas through which the reacted gas flows after passing through the second gas passage segment from the most downstream of the cell (4). )
A gas flow path for the fuel cell according to any one of the preceding claims. (6) The gas flow path of the fuel cell according to (1), wherein the stack is placed horizontally, and the water exchange unit is arranged above the stack. (7) The stack is placed horizontally, and the unreacted gas is introduced into the power generation unit from the unreacted gas gas flow path located below the power generation unit to be converted into the reacted gas, and the reacted gas located above the power generation unit A flow path for flowing the reacted gas into the power generation section by making one turn in the gas flow path for the reacted gas on the upper side of the power generation section and flowing the gas to the gas flow path for the reacted gas on the lower side of the power generation section A gas flow path of the reacted gas on the upper side of the power generation unit, a gas flow path of the unreacted gas that sends unreacted gas to a gas flow path of the unreacted gas positioned below the power generation unit, and the water flow path. The gas flow path of the fuel cell according to (6), separated by an exchange membrane. (8) The gas flow path of the fuel cell according to (7), wherein the water exchange membrane has a bellows shape and has a larger surface area than a flat surface. (9) The wall of the gas flow path of the reacted gas on the upper side of the power generation unit is provided with an inclined portion for passing moisture condensed on the wall to the wall,
The gas flow path of a fuel cell according to (6), further including an elimination portion below the lower end of the sloping portion for eliminating water collected by the sloping portion without dropping the water to the cell power generation portion.
【０００５】上記（１）の燃料電池のガス流路では、少
なくとも１つのガス流路セグメントを通過した既反応ガ
スのガス流路と未反応ガスのガス流路とを水交換膜で隔
てたので、既反応ガスの水分が水交換膜を透過して未反
応ガスに移行し、電解質膜の下流での湿潤過多と上流で
の乾燥が共に防止されるとともに、途中部と最上流との
水交換もできて燃料電池の反応面内での水分分布の均一
化もはかることができる。また、水交換膜が飽和するこ
ともないので、半永久的に作動する。また、セル発電部
外に水交換部を設けたので、セル面積からの制限を受け
ることなく、高い効率で既反応ガスから未反応ガスへの
水分移行が行われる。上記（２）の燃料電池のガス流路
では、各セル内で下流側のガス流路セグメントと上流側
のガス流路セグメントとを隣接させたので、セパレータ
内での水分分布がより均一化される。上記（３）の燃料
電池のガス流路では、各セル内で下流側のガス流路セグ
メントの通路断面積を上流側のガス流路セグメントの通
路断面積より小としたので、発電反応によりガスが消費
されても下流で流速が低下することがなく、下流で液滴
が生じても、吹き飛ばされ、電池性能の液滴による低下
が防止される。上記（４）の燃料電池のガス流路では、
水交換部を燃料電池スタックのターミナルより外側の部
分に配置したので、水交換部を、各セルの発電部に設け
る必要がなく、発電性能を低下させず、また、全セルに
対して共通にターミナルより外側の部分に設けることが
できるので、スペース効率もよい。上記（５）の燃料電
池のガス流路では、水交換部の既反応ガスのガス流路に
流れる既反応ガスは、セルの最下流から２番目のガス流
路セグメントを通った後の既反応ガスのため、フラッデ
ィング前の最も高い湿度の既反応ガスと未反応ガスとで
水交換を行うことができる。上記（６）の燃料電池のガ
ス流路では、水交換部をスタックの上側に配置したの
で、水交換部を、各セルの発電部内に設ける必要がな
く、発電性能を低下させることがなく、スペース効率も
よい。上記（７）の燃料電池のガス流路では、ガスの流
れを１ターンさせ湿潤の高い下流側のガス流路ではガス
を上から下に流すので、たとえ水滴が生成しても下方に
吹き飛ばすことができ、水によるガス通路詰まりが生じ
ない。上記（８）の燃料電池のガス流路では、水交換膜
を蛇腹状としたので、水交換膜の表面積が増大し、既反
応ガスから未反応ガスへの水分透過量を増大できる。上
記（９）の燃料電池のガス流路では、発電部の上側の既
反応ガスのガス流路の壁に傾斜部を設け、該傾斜部の下
端部の下方に排除部を設けたので、壁に生成した水滴を
傾斜部をつたわせて排除部に導き、発電部に落下させず
に外部に排除することができる。[0005] In the gas flow path of the fuel cell of the above (1), the gas flow path of the reacted gas and the gas flow path of the unreacted gas which have passed through at least one gas flow path segment are separated by a water exchange membrane. The moisture of the reacted gas permeates through the water exchange membrane and transfers to the unreacted gas, preventing both excessive wetting downstream of the electrolyte membrane and drying upstream, and also exchanging water between the middle and the uppermost stream. This also makes it possible to make the water distribution uniform within the reaction surface of the fuel cell. Further, since the water exchange membrane does not saturate, it operates semipermanently. In addition, since the water exchange unit is provided outside the cell power generation unit, water transfer from the reacted gas to the unreacted gas can be performed with high efficiency without being limited by the cell area. In the gas flow path of the fuel cell of the above (2), since the downstream gas flow path segment and the upstream gas flow path segment are adjacent to each other in each cell, the moisture distribution in the separator is more uniform. You. In the gas flow path of the fuel cell of the above (3), the passage cross-sectional area of the downstream gas flow path segment in each cell is smaller than the passage cross-sectional area of the upstream gas flow path segment. Is consumed, the flow velocity does not decrease on the downstream side, and even if droplets are generated on the downstream side, the droplets are blown off and the drop of the battery performance due to the droplets is prevented. In the gas flow path of the fuel cell of the above (4),
Since the water exchange section is located outside the terminal of the fuel cell stack, there is no need to provide a water exchange section in the power generation section of each cell, so that the power generation performance is not reduced, and it is common for all cells. Since it can be provided in a portion outside the terminal, space efficiency is good. In the gas flow path of the fuel cell of the above (5), the reacted gas flowing in the gas flow path of the reacted gas in the water exchange section is the reacted gas after passing through the second gas flow path segment from the most downstream of the cell. Because of the gas, water can be exchanged between the reacted gas and the unreacted gas having the highest humidity before flooding. In the gas flow path of the fuel cell of the above (6), since the water exchange section is arranged above the stack, it is not necessary to provide the water exchange section in the power generation section of each cell, and the power generation performance is not reduced. Good space efficiency. In the gas flow path of the fuel cell of the above (7), the gas flow is turned for one turn, and the gas flows from the top down in the highly wet downstream gas flow path. And the gas passage is not blocked by water. In the gas flow path of the fuel cell of the above (8), since the water exchange membrane has a bellows shape, the surface area of the water exchange membrane is increased, and the amount of water permeated from the reacted gas to the unreacted gas can be increased. In the gas passage of the fuel cell of the above (9), an inclined portion is provided on the wall of the gas passage of the reacted gas on the upper side of the power generation portion, and an exclusion portion is provided below a lower end portion of the inclined portion. The generated water droplets are guided to the elimination portion by connecting the inclined portion, and can be eliminated to the outside without dropping to the power generation portion.
【０００６】[0006]
【発明の実施の形態】以下に、本発明の燃料電池のガス
流路を図１〜図９（ただし、図９は比較例）を参照し
て、説明する。図中、図３、図４は本発明の実施例１を
示し、図５〜図７は本発明の実施例２を示し、図１、図
２、図８は本発明の実施例１、２に共通に適用できる。
本発明の何れの実施例にも共通する部分には、本発明の
実施例１、２にわたって同じ符号を付してある。まず、
本発明の何れの実施例にも共通する部分を、たとえば図
１〜図４、図８、図９を参照して、説明する。DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, a gas flow path of a fuel cell according to the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 9 (FIG. 9 is a comparative example). 3 and 4 show a first embodiment of the present invention, FIGS. 5 to 7 show a second embodiment of the present invention, and FIGS. 1, 2 and 8 show first and second embodiments of the present invention. Applicable to all.
Portions common to both embodiments of the present invention are denoted by the same reference numerals in Embodiments 1 and 2 of the present invention. First,
Portions common to all embodiments of the present invention will be described with reference to, for example, FIGS. 1 to 4, 8, and 9.
【０００７】本発明のガス流路が適用される燃料電池
は、固体高分子電解質型燃料電池１０である。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１
４（アノード、燃料極）および電解質膜１１の他面に配
置された触媒層１５および拡散層１６からなる電極１７
（カソード、空気極）とからなる膜−電極アッセンブリ
（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly ）と、電極１
４、１７に燃料ガス（水素）および酸化ガス（酸素、通
常は空気）を供給するための流体通路２７および燃料電
池冷却用の冷却水が流れる冷却水流路２６を形成するセ
パレータ１８とを重ねてセルを形成し、該セルを複数積
層してモジュール１９を構成し（たとえば、２セルから
１モジュールを構成し）、モジュール１９を積層してモ
ジュール群とし、モジュール群のセル積層方向（燃料電
池積層方向）両端に、ターミナル２０、インシュレータ
２１、エンドプレート２２を配置してスタック２３を構
成し、スタック２３を積層方向に締め付けスタック２３
の外側で燃料電池積層体積層方向に延びる締結部材２４
（たとえば、テンションプレート、スルーボルトなど）
とボルト２５またはナットで固定したものからなる。The fuel cell to which the gas flow path of the present invention is applied is a solid polymer electrolyte fuel cell 10. The fuel cell 10 is mounted on, for example, a fuel cell vehicle. However, it may be used other than a car. As shown in FIGS. 1 and 2, the solid polymer electrolyte fuel cell 10 includes an electrolyte membrane 11 formed of an ion exchange membrane and an electrode 1 formed of a catalyst layer 12 and a diffusion layer 13 disposed on one surface of the electrolyte membrane 11.
4 (anode, fuel electrode) and electrode 17 composed of catalyst layer 15 and diffusion layer 16 disposed on the other surface of electrolyte membrane 11
(Material-Electrode Assembly (MEA)) consisting of (cathode, air electrode) and electrode 1
A fluid passage 27 for supplying a fuel gas (hydrogen) and an oxidizing gas (oxygen, usually air) to the separators 4 and 17 and a separator 18 forming a cooling water passage 26 through which cooling water for cooling the fuel cell flows. A cell is formed, a plurality of the cells are stacked to form a module 19 (for example, one module is formed from two cells), and the modules 19 are stacked to form a module group. Direction) Terminals 20, insulators 21, and end plates 22 are arranged on both ends to form a stack 23, and the stack 23 is tightened in the stacking direction to form a stack 23.
Member 24 extending in the stacking direction of the fuel cell stack outside
(For example, tension plate, through bolt, etc.)
And bolts 25 or nuts.
【０００８】触媒層１２、１５は白金（Ｐｔ）を含むカ
ーボン（Ｃ）からなる。拡散層１３、１６はガス透過性
を有しカーボン（Ｃ）からなる。セパレータ１８は、ガ
ス、水不透過性で、通常は、カーボン（黒鉛である場合
を含む）または金属または導電性樹脂の何れかからな
る。図２では、セパレータ１８が、カーボン（黒鉛であ
る場合を含む）からなる場合を示すが、これに限るもの
ではない。The catalyst layers 12, 15 are made of carbon (C) containing platinum (Pt). The diffusion layers 13 and 16 have gas permeability and are made of carbon (C). The separator 18 is impermeable to gas and water, and is usually made of carbon (including graphite), metal, or conductive resin. FIG. 2 shows a case where the separator 18 is made of carbon (including a case of graphite), but is not limited thereto.
【０００９】セパレータ１８は、燃料ガスと酸化ガス、
燃料ガスと冷却水、酸化ガスと冷却水、の何れかを区画
するとともに、隣り合うセルのアノードからカソードに
電子が流れる電気の通路を形成している。冷却水流路２
６はセル毎に、または複数のセル毎に、設けられる。た
とえば、図２に示すように２セルで１モジュールを構成
するものでは、モジュール毎（２セル毎）に１つの冷却
水流路２６が設けられる。The separator 18 comprises a fuel gas and an oxidizing gas,
Either the fuel gas or the cooling water or the oxidizing gas and the cooling water is partitioned, and an electric passage for electrons to flow from the anode to the cathode of an adjacent cell is formed. Cooling water channel 2
6 is provided for each cell or for a plurality of cells. For example, as shown in FIG. 2, when one module is composed of two cells, one cooling water passage 26 is provided for each module (every two cells).
【００１０】セパレータ１８は、通常、ほぼ四角形の板
である。セパレータ１８には、燃料電池を冷却する冷却
水流路を形成するとともに反応ガスのガス流路を形成す
る冷却用セパレータ１８Ａと、反応ガスのガス流路を形
成する反応ガス用セパレータ１８Ｂとの２種類のセパレ
ータがある。発電部３３（電極がある部位）では、冷却
用セパレータ１８Ａの一面に冷却水流路２６が形成され
他面にガス流路２７（燃料ガス流路２７ａまたは酸化ガ
ス流路２７ｂ）が形成されており、冷却用セパレータ１
８Ａは冷却水と反応ガス（燃料ガスまたは酸化ガス）と
を隔てる。また、反応ガス用セパレータ１８Ｂの一面に
燃料ガス流路２７ａが形成され、他面に酸化ガス流路２
７ｂが形成されており、反応ガス用セパレータ１８Ｂは
燃料ガスと酸化ガスとを隔てる。The separator 18 is usually a substantially rectangular plate. There are two types of separators 18, a cooling separator 18 </ b> A forming a cooling water flow path for cooling the fuel cell and forming a reaction gas flow path, and a reaction gas separator 18 </ b> B forming a reaction gas gas flow path. There is a separator. In the power generation section 33 (where the electrodes are located), a cooling water flow path 26 is formed on one surface of the cooling separator 18A, and a gas flow path 27 (fuel gas flow path 27a or oxidizing gas flow path 27b) is formed on the other surface. , Cooling separator 1
8A separates the cooling water from the reaction gas (fuel gas or oxidizing gas). A fuel gas flow path 27a is formed on one surface of the reaction gas separator 18B, and an oxidizing gas flow path 2
7b are formed, and the reaction gas separator 18B separates the fuel gas and the oxidizing gas.
【００１１】図３、図４に示すように、ガス流路は、発
電部３３のガス流路２７と発電部３３の外のガス流路２
８とからなる。発電部外のガス流路２８は、ガスマニホ
ールド２９を有する。発電部外のガス流路２８は、さら
に、ガスマニホールド２９同士を接続するガス流路３０
と、ガスマニホールド２９と外部からのガス入口とを接
続するガス流路３１と、ガスマニホールド２９と外部へ
のガス出口とを接続するガス流路３２とを有していても
よい。セパレータ１８には、発電部３３より外側に、ガ
スマニホールド２９、冷却水マニホールド（図示略）が
形成されており、発電部３３に冷却水流路２６および／
またはガス流路２７が形成されている。通常、ガスマニ
ホルード２９は、燃料ガスマニホールドと酸化ガスマニ
ホールドに分けられ、対向する２辺に酸化ガスマニホー
ルドが形成され、それと直交する方向の対向する２辺に
燃料ガスマニホールドが形成される。そして、通常、燃
料ガスと酸化ガスとは、反応ガス用セパレータ１８Ｂの
表裏で、直交する方向に流れる。As shown in FIGS. 3 and 4, the gas flow path includes a gas flow path 27 of the power generation section 33 and a gas flow path 2 outside the power generation section 33.
8 The gas flow path 28 outside the power generation unit has a gas manifold 29. The gas passage 28 outside the power generation unit further includes a gas passage 30 connecting the gas manifolds 29 to each other.
And a gas flow path 31 connecting the gas manifold 29 to a gas inlet from the outside, and a gas flow path 32 connecting the gas manifold 29 to a gas outlet to the outside. A gas manifold 29 and a cooling water manifold (not shown) are formed outside the power generation unit 33 in the separator 18.
Alternatively, a gas channel 27 is formed. Normally, the gas manifold 29 is divided into a fuel gas manifold and an oxidizing gas manifold. An oxidizing gas manifold is formed on two opposing sides, and a fuel gas manifold is formed on two opposing sides perpendicular to the two sides. Then, usually, the fuel gas and the oxidizing gas flow in directions orthogonal to each other on the front and back sides of the reaction gas separator 18B.
【００１２】図３、図４は、一面に酸化ガス（空気）の
ガス流路２７ｂが形成され、外周部の対向２辺にガス
（酸化ガス）マニホールド２９が形成されているセパレ
ータ１８を、酸化ガス流路２７ｂ側から見た場合を示
す。セパレータ１８には外周部に酸化ガスマニホールド
が形成された２辺と直交する２辺に燃料ガスマニホール
ドが形成されるが、図３では燃料ガスマニホールドの図
示を省略してある。図３に示すように、セパレータ面内
のマニホールド（酸化ガスマニホールド）２９は、互い
に独立した１個以上（図３、図４では発電部の上と下に
３個ずつ、図５〜図７では発電部の下に２個、上に１
個）のマニホールドとされている。FIGS. 3 and 4 show an oxidizing gas (air) gas passage 27b formed on one surface, and a gas (oxidizing gas) manifold 29 formed on two opposing sides of the outer periphery. This shows a case when viewed from the gas flow path 27b side. Although fuel gas manifolds are formed on the separator 18 on two sides orthogonal to the two sides on which the oxidizing gas manifold is formed on the outer peripheral portion, the illustration of the fuel gas manifold is omitted in FIG. As shown in FIG. 3, one or more manifolds (oxidizing gas manifolds) 29 in the separator surface are independent of each other (three upper and lower generators in FIGS. 3 and 4, and three power generators in FIGS. 5 to 7). 2 below, 1 above
) Manifold.
【００１３】セパレータの発電部のガス流路（酸化ガス
流路、すなわちエア流路）２７は、複数のガス流路セグ
メント（図３、図４の場合はセグメント１、２、３、図
５〜図７の場合はセグメント１、２）に分けられてい
る。ガス流路セグメントのガス流路２７は、発電部で
は、互いに連通しない。ガス流路セグメントは、発電部
外のガス流路２８により、直列に接続されている。発電
部のガス流路は溝状のガス流路から構成されていてもよ
いし、多数の小突起によってセパレータと電極間に形成
されるスペースであってもよい。ガス流路が溝状のガス
流路である場合は、各ガス流路セグメントは並行する溝
状のガス流路群である。各ガス流路セグメントのガス流
路は、各ガス流路セグメントと対応するマニホールド２
９と連通している。ガス流路セグメントの個数は、図
３、図４では３個の場合を示しているが、ガス流路セグ
メントの個数は１個以上であれば任意である。The gas flow path (oxidizing gas flow path, ie, air flow path) 27 in the power generation section of the separator is composed of a plurality of gas flow path segments (segments 1, 2, 3, in FIGS. In the case of FIG. 7, it is divided into segments 1 and 2). The gas passages 27 of the gas passage segments do not communicate with each other in the power generation unit. The gas flow path segments are connected in series by a gas flow path 28 outside the power generation unit. The gas flow path of the power generation unit may be constituted by a groove-shaped gas flow path, or may be a space formed between the separator and the electrode by a large number of small projections. When the gas flow path is a grooved gas flow path, each gas flow path segment is a group of parallel grooved gas flow paths. The gas flow path of each gas flow path segment has a manifold 2 corresponding to each gas flow path segment.
It communicates with 9. Although the number of gas flow path segments is three in FIGS. 3 and 4, the number of gas flow path segments is arbitrary as long as it is one or more.
【００１４】セパレータ面内にある上流側のガス流路セ
グメント１のガス流路と下流側のガス流路セグメント
（図３、図４の場合はセグメント３、図５〜図７の場合
はセグメント２）のガス流路は、互いに隣接するように
配置されている。また、下流側のガス流路セグメント
（図３、図４の場合はセグメント３、図５〜図７の場合
はセグメント２）のガス流路ではガスが上から下に向か
って流れるようにされている。また、各セル内で下流側
のガス流路セグメント（図３、図４の場合はセグメント
３、図５〜図７の場合はセグメント２）の通路断面積は
上流側のガス流路セグメント１の通路断面積より小とさ
れている。The gas flow path of the upstream gas flow path segment 1 and the downstream gas flow path segment (segment 3 in FIGS. 3 and 4 and segment 2 in FIGS. ) Are arranged so as to be adjacent to each other. Further, in the gas flow path of the downstream gas flow path segment (segment 3 in FIGS. 3 and 4 and segment 2 in FIGS. 5 to 7), gas flows from top to bottom. I have. In each cell, the passage cross-sectional area of the downstream gas passage segment (segment 3 in FIGS. 3 and 4 and segment 2 in FIGS. 5 to 7) is the same as that of the upstream gas passage segment 1. It is smaller than the passage sectional area.
【００１５】本発明では、発電部３３外のガス流路２８
には、少なくとも１つのガス流路セグメントのガス流路
２７を通過した既反応ガスのガス流路（たとえば、ガス
マニホールド２９同士を連通するガス流路３０、または
ガスマニホールド２９）とガス流路セグメントに流入す
る前の未反応ガスのガス流路（たとえば、ガスマニホー
ルド２９と外部からのガス入口とを接続するガス流路３
１）とを水分透過性のある水交換膜３５で隔てた構造を
もつ水交換部３４が、設けられている。水交換膜３５
は、水分透過性のある膜であれば任意の材質の膜であっ
てよい。たとえば、電解質膜１１は、水分透過性を有す
るので、水交換膜３５に電解質膜１１を用いることがで
きる。In the present invention, the gas flow path 28 outside the power generation section 33
The gas flow path of the reacted gas that has passed through the gas flow path 27 of at least one gas flow path segment (for example, the gas flow path 30 that connects the gas manifolds 29 or the gas manifold 29) and the gas flow path segment Gas flow path of the unreacted gas before flowing into the gas passage (for example, the gas flow path 3 connecting the gas manifold 29 and a gas inlet from outside)
1) is provided with a water exchange part 34 having a structure separated by a water exchange membrane 35 having moisture permeability. Water exchange membrane 35
May be a film of any material as long as it is a film having moisture permeability. For example, since the electrolyte membrane 11 has moisture permeability, the electrolyte membrane 11 can be used as the water exchange membrane 35.
【００１６】上記の本発明の全実施例に共通する部分の
作用を、図７、図８を参照して、説明する。水交換部３
４では、湿度の高い既反応ガスの水分（水蒸気を含む）
が、水交換膜３５を透過して、湿度の低い未反応ガス側
に移行し、既反応ガスの湿度を下げて発電部３３の電解
質膜のガス流路２７下流側での湿潤過多を防止するとと
もに、湿度の低い未反応ガスの湿度を上げて発電部３３
の電解質膜のガス流路２７上流側での乾燥を防止する。The operation of the parts common to all the embodiments of the present invention will be described with reference to FIGS. Water exchange part 3
In 4, the moisture (including water vapor) of the already reacted gas with high humidity
However, the water permeates through the water exchange membrane 35 and moves to the unreacted gas side where the humidity is low, and the humidity of the reacted gas is lowered to prevent excessive wetting on the downstream side of the gas flow path 27 of the electrolyte membrane of the power generation unit 33. At the same time, the humidity of the unreacted gas having a low humidity is
Of the electrolyte membrane on the upstream side of the gas flow path 27 is prevented.
【００１７】図８は、図３、図４のセグメント数３の場
合において、下流側ガス流路セグメント３に対応する電
解質膜１１の膜中水分量が低下されて湿潤過多が抑制さ
れ、上流側ガス流路セグメント１、または中間のガス流
路セグメント２に対応する電解質膜１１の膜中水分量が
上げられて乾燥防止がはかられる様子を棒グラフで示し
ている。図９は比較例で水交換部３４を設けない場合
（本発明に含まず）を示している。図９からわかるよう
に、下流側セグメントにいく程、電解質膜１１の膜中水
分量が増大していき、最下流側でエアの飽和水蒸気量を
越えて水滴が出るとともに、最上流側で膜の乾燥が生じ
やすいことがわかる。FIG. 8 shows the case where the number of segments in FIG. 3 and FIG. 4 is 3, the amount of water in the electrolyte membrane 11 corresponding to the downstream gas flow path segment 3 is reduced, so that excessive wetting is suppressed, and A bar graph shows that the amount of water in the electrolyte membrane 11 corresponding to the gas flow path segment 1 or the intermediate gas flow path segment 2 is increased to prevent drying. FIG. 9 shows a comparative example in which the water exchange unit 34 is not provided (not included in the present invention). As can be seen from FIG. 9, the water content in the membrane of the electrolyte membrane 11 increases as going to the downstream segment, and water droplets exceed the saturated water vapor amount of the air at the most downstream side, and the water membrane comes out at the most upstream side. It can be seen that drying of the powder is easy to occur.
【００１８】本発明では、水交換膜３５を利用した、既
反応ガスと未反応ガスの水交換により、既反応ガスから
の水分吸収を吸収材を用いて行うとともに未反応ガスの
加湿を独立に行っていた従来に比べて、既反応ガスから
吸収した水分を未反応ガスの加湿に再利用することがで
きること、吸収材の飽和による水分吸収不能がなく半永
久的に作動できること、特別な加湿装置が不要となるこ
と、等の点で改善される。In the present invention, water is exchanged between the reacted gas and the unreacted gas using the water exchange membrane 35 to absorb the water from the reacted gas using the absorbing material and independently humidify the unreacted gas. Compared to the conventional method, the moisture absorbed from the already reacted gas can be reused for humidification of the unreacted gas, it can operate semi-permanently without water absorption impossible due to saturation of the absorbent, special humidification equipment It is improved in that it becomes unnecessary.
【００１９】セパレータ面内にある上流側のガス流路セ
グメント１のガス流路と下流側のガス流路セグメント
（図３、図４の場合はセグメント３、図５〜図７の場合
はセグメント２）のガス流路が、互いに隣接するように
配置されているので、湿度の高い下流側ガス流路セグメ
ントから、電解質膜および電極を介して湿度の低い上流
側ガス流路セグメントに水分が移行して水分分布が均一
化に向かう。The gas flow path of the upstream gas flow path segment 1 and the downstream gas flow path segment (segment 3 in FIGS. 3 and 4 and segment 2 in FIGS. ) Are arranged so as to be adjacent to each other, so that moisture moves from the high-humidity downstream gas flow segment to the low-humidity upstream gas flow segment via the electrolyte membrane and the electrode. And the water distribution tends to be uniform.
【００２０】また、下流側のガス流路セグメント３のガ
ス流路ではガスが上から下に向かって流れるようにされ
ているので、下流側のガス流路セグメント（図３、図４
の場合はセグメント３、図５〜図７の場合はセグメント
２）のガス流路に水滴が生じてもガス流により下方に吹
き飛ばされ、ガス流路の水詰まりおよび反応ガス供給不
足を防止できる。In the gas flow path of the gas flow path segment 3 on the downstream side, the gas flows from top to bottom, so that the gas flow path segment on the downstream side (FIGS. 3 and 4)
In the case of (1), even if water droplets are generated in the gas flow path of the segment 3 in the case of FIGS. 5 to 7, the water flow is blown downward by the gas flow, thereby preventing water clogging of the gas flow path and insufficient supply of reactive gas.
【００２１】また、各セル内で下流側のガス流路セグメ
ント（図３、図４の場合はセグメント３、図５〜図７の
場合はセグメント２）の通路断面積が上流側のガス流路
セグメント１の通路断面積より小とされているので、酸
素（燃料ガス流路では水素）の消費によるガス流速が低
下を、通路断面積を下流程小とすることによりガス流速
の増大により相殺でき、水滴が生成した場合の吹き飛ば
し作用が維持される。In each cell, the cross-sectional area of the gas passage segment on the downstream side (segment 3 in FIGS. 3 and 4 and segment 2 in FIGS. 5 to 7) is the gas passage segment on the upstream side. Since the passage cross-sectional area of the segment 1 is smaller than that, the decrease in the gas flow velocity due to consumption of oxygen (hydrogen in the fuel gas passage) can be offset by increasing the gas flow velocity by making the passage cross-sectional area smaller downstream. In addition, the blowing action when water droplets are generated is maintained.
【００２２】つぎに、本発明の各実施例に特有な構成、
作用を説明する。本発明の実施例１では、図３、図４に
示すように、スタック２３は横置きで車両に搭載され、
水交換部３４が、燃料電池スタック２３の一端部のター
ミナル２０より外側の部分に配置されている。水交換部
３４は、スタック２３の一端部のエンドプレート２２と
インシュレータ２１の内部に形成されており、水交換膜
３５はエンドプレート２２とインシュレータ２１に挟ま
れている。水交換部３４は、エンドプレート２２に形成
された未反応ガスガス流路３１と、インシュレータ２１
に形成された既反応ガスガス流路３０と、未反応ガスガ
ス流路３１と既反応ガスガス流路３０とを隔てる水交換
膜３５とからなる。Next, a configuration specific to each embodiment of the present invention,
The operation will be described. In the first embodiment of the present invention, as shown in FIGS. 3 and 4, the stack 23 is mounted on the vehicle in a horizontal position,
The water exchange part 34 is arranged at a part outside the terminal 20 at one end of the fuel cell stack 23. The water exchange part 34 is formed inside the end plate 22 and the insulator 21 at one end of the stack 23, and the water exchange membrane 35 is sandwiched between the end plate 22 and the insulator 21. The water exchange part 34 is connected to the unreacted gas gas passage 31 formed in the end plate 22 and the insulator 21.
And a water exchange membrane 35 separating the unreacted gas gas passage 31 and the reacted gas gas passage 30 from each other.
【００２３】発電部３３のガス流路セグメントの個数
は、たとえば３個（ただし、２個以上であれば、個数は
任意）である。ガス流路セグメント１、２、３は、発電
部外のガス流路２８により、直列に接続されている。上
流側ガス流路セグメント１の両側に、ガス流路セグメン
ト２、３が位置している。ガス流路セグメント１、２、
３のガス流れ方向は、図３の例では同じ方向としてある
が、上流側セグメント１と下流側セグメント３の流れ方
向は互いに逆方向としてもよい。逆方向とすることによ
り、湿度の高い部分と湿度の低い部分とを隣接させるこ
とができ、湿度分布均一化に寄与できる。The number of gas flow path segments of the power generation unit 33 is, for example, three (however, the number is arbitrary as long as it is two or more). The gas flow path segments 1, 2, and 3 are connected in series by a gas flow path 28 outside the power generation unit. Gas channel segments 2 and 3 are located on both sides of the upstream gas channel segment 1. Gas flow path segments 1, 2,
Although the gas flow directions of the three are the same in the example of FIG. 3, the flow directions of the upstream segment 1 and the downstream segment 3 may be opposite to each other. By setting the direction to be opposite, a high-humidity portion and a low-humidity portion can be adjacent to each other, which can contribute to uniform humidity distribution.
【００２４】図３、図４では、ガス入口から入ったガス
は、各セルのガス流路セグメント１の入口側ガスマニホ
ールド２９からガス流路セグメント１のガス流路２７に
入り、ガス流路セグメント１の出口側マニホールド２９
に出て該マニホールドを通ってスタック端部内（エンド
プレートおよび／またはインシュレータ内に形成したガ
ス流路３０）に至り、スタック端部内のガス流路セグメ
ント１の出口側マニホールドからスタック端部内のセグ
メント２の入口側マニホールドに流れる。同じことをガ
ス流路セグメント２に対して繰り返す。すなわち、スタ
ック端部内のガス流路セグメント２の入口側マニホール
ドに流れたガスは、各セルのガス流路セグメント２の入
口側マニホールド２９からガス流路セグメント２のガス
流路に入り、ガス流路セグメント２の出口側マニホール
ド２９に出て該マニホールドを通ってスタック端部内
（エンドプレートおよび／またはインシュレータ内に形
成した通路３０）に至り、スタック端部内のガス流路セ
グメント２の出口側マニホールドからスタック端部内の
ガス流路セグメント３の入口側マニホールドに流れる。
上記を順次、ガス流路セグメント２、３と繰り返して、
最後はスタック端部内のガス流路セグメント３の出口側
マニホールドから外部に出ていく。水交換部３４の既反
応ガスのガス流路３０は、セルの最下流から２番目のガ
ス流路セグメント２を通った後の既反応ガスが流れる既
反応ガスのガス流路３０とされている。In FIGS. 3 and 4, gas entering from the gas inlet enters the gas passage 27 of the gas passage segment 1 from the inlet side gas manifold 29 of the gas passage segment 1 of each cell. 1 outlet side manifold 29
Through the manifold to the inside of the stack end (the gas flow path 30 formed in the end plate and / or the insulator), and from the outlet side manifold of the gas flow path segment 1 in the stack end to the segment 2 in the stack end. To the inlet side manifold. The same is repeated for gas flow path segment 2. That is, the gas flowing to the inlet manifold of the gas flow channel segment 2 in the stack end enters the gas flow channel of the gas flow channel segment 2 from the inlet manifold 29 of the gas flow channel segment 2 of each cell. The gas exits from the outlet manifold 29 of the gas flow path segment 2 at the outlet end of the gas flow path segment 2 at the outlet end 29 of the segment 2 through the manifold to the inside of the stack end (the passage 30 formed in the end plate and / or the insulator). It flows to the inlet side manifold of the gas flow path segment 3 in the end.
The above is sequentially repeated with the gas flow path segments 2 and 3,
Finally, the gas exits from the outlet manifold of the gas flow path segment 3 in the end of the stack. The gas passage 30 of the reacted gas in the water exchange unit 34 is a gas passage 30 of the reacted gas through which the reacted gas flows after passing through the second gas passage segment 2 from the most downstream of the cell. .
【００２５】本発明の実施例１の作用はつぎの通りであ
る。水交換部３４を燃料電池スタック２３のターミナル
２０より外側の部分に配置したので、水交換部３４を、
各セルの発電部３３に設ける必要がなく、水交換部を発
電部に設けた場合に発電部面積が少なくなって燃料電池
の発電性能が低下するという問題を生じることがなく、
また、水交換部３４を全セルに対して共通にターミナル
２０より外側の部分に設けることができるので、スペー
ス効率がよい。The operation of the first embodiment of the present invention is as follows. Since the water exchange unit 34 is arranged at a portion outside the terminal 20 of the fuel cell stack 23, the water exchange unit 34 is
There is no need to provide the power generation unit 33 of each cell, and when the water exchange unit is provided in the power generation unit, there is no problem that the power generation unit area is reduced and the power generation performance of the fuel cell is reduced,
Further, since the water exchange section 34 can be provided in a portion outside the terminal 20 in common for all cells, space efficiency is good.
【００２６】また、水交換部の既反応ガスのガス流路３
０に流れる既反応ガスは、セルの最下流から２番目のガ
ス流路セグメント２を通った後の既反応ガスのため、フ
ラッディング前の最も高い湿度の既反応ガスと未反応ガ
スとで水交換を行うことができる。そのため、フラッデ
ィング防止と膜乾燥防止を効率的にはかることができ
る。The gas passage 3 for the reacted gas in the water exchange section
Since the reacted gas flowing to zero is the reacted gas after passing through the second gas flow path segment 2 from the most downstream of the cell, water exchange is performed between the reacted gas having the highest humidity before the flooding and the unreacted gas. It can be performed. Therefore, it is possible to efficiently prevent flooding and film drying.
【００２７】本発明の実施例２では、図５〜図７に示す
ように、スタック２３は横置きで車両に搭載され、水交
換部３４がスタック２３の上側に配置されている。ま
た、発電部３３のガス流路セグメントの個数はたとえば
２個である。ガス流路セグメント１、２は、発電部３３
外の発電部上部のガスマニホールド２９により、直列に
接続されている。図５に示すように、未反応ガスは発電
部３３の下側に位置するガス流路２８（未反応ガスのガ
スマニホールド２９）から発電部３３のガス流路セグメ
ント１のガス流路２７に入り、既反応ガスになって発電
部３３の上側に位置するガス流路２８（既反応ガスのガ
スマニホールド２９）に流れ、該既反応ガスは発電部３
３の上側のガス流路２８（既反応ガスのガスマニホール
ド２９）で１ターンさせて発電部３３のガス流路セグメ
ント２のガス流路２７に入り、発電部３３の下側のガス
流路２８（既反応ガスのガスマニホールド２９）に流れ
る。In the second embodiment of the present invention, as shown in FIGS. 5 to 7, the stack 23 is mounted on the vehicle in a horizontal position, and the water exchange section 34 is disposed above the stack 23. In addition, the number of gas flow path segments of the power generation unit 33 is, for example, two. The gas flow path segments 1 and 2 are
They are connected in series by a gas manifold 29 on the upper part of the outside power generation unit. As shown in FIG. 5, the unreacted gas enters the gas flow path 27 of the gas flow path segment 1 of the power generation unit 33 from the gas flow path 28 (unreacted gas gas manifold 29) located below the power generation unit 33. , And flows into the gas flow path 28 (the gas manifold 29 of the reacted gas) located above the power generation unit 33, and the reacted gas is
In the gas flow path 28 (the gas manifold 29 of the reacted gas) on the upper side of the power generation section 3, one turn is made to enter the gas flow path 27 of the gas flow path segment 2 of the power generation section 33, and the lower gas flow path 28 of the power generation section 33 is turned off. (Reacted gas gas manifold 29).
【００２８】図６または図７に示すように、発電部３３
の上側のガス流路２８（既反応ガスのガスマニホールド
２９）は、発電部３３の下側に位置するガス流路２８
（未反応ガスのガスマニホールド２９）に未反応ガスを
送る未反応ガスのガス流路３１と水交換膜３５を介して
隔てられている。図６では、未反応ガスのガス流路３１
と既反応ガスのガスマニホールド２９とを別室にして水
交換膜３５で仕切った構造としてある。水交換膜３５は
蛇腹状とされ平面状の場合よりも表面積を大としてあ
る。図７では、発電部３３の上側の既反応ガスのガス流
路２８（既反応ガスのガスマニホールド２９）の壁に該
壁に結露する水分を壁につたわせる傾斜部３６を設け、
傾斜部３６の下端部の下方に、傾斜部３６で集められた
水をセル発電部３３に落下させることなく排除する排除
部３７が設けられている。As shown in FIG. 6 or FIG.
The gas flow path 28 (the gas manifold 29 of the reacted gas) above the gas flow path 28 located below the power generation unit 33
The unreacted gas is sent to the (unreacted gas gas manifold 29) and is separated from the gas channel 31 of the unreacted gas by a water exchange membrane 35. In FIG. 6, the gas passage 31 of the unreacted gas is shown.
And a gas manifold 29 for the reacted gas, which are separated from each other by a water exchange membrane 35. The water exchange membrane 35 has a bellows shape and has a larger surface area than that of a flat shape. In FIG. 7, an inclined portion 36 is provided on the wall of the gas flow path 28 of the reacted gas (the gas manifold 29 of the reacted gas) on the upper side of the power generation unit 33 so that moisture condensed on the wall is passed to the wall.
Below the lower end of the inclined portion 36, an elimination portion 37 for eliminating water collected by the inclined portion 36 without dropping to the cell power generation portion 33 is provided.
【００２９】本発明の実施例２の作用はつぎの通りであ
る。水交換部３４をスタック２３の上側に配置したの
で、水交換部３４を、各セルの発電部３３内に設ける必
要がなく、発電性能を低下させることがなく、スペース
効率もよい。また、ガスの流れを１ターンさせ湿潤の高
い下流側のガス流路２ではガスを上から下に流すので、
たとえ水滴が生成しても下方に吹き飛ばすことができ、
水によるガス通路詰まりが生じない。また、図６では、
水交換膜３５を蛇腹状としたので、水交換膜３５の表面
積が増大し、既反応ガスから未反応ガスへの水分透過量
を増大できる。また、図７では、発電部の上側の既反応
ガスのガス流路の壁に傾斜部３６を設け、傾斜部３６の
下端部の下方に排除部３７を設けたので、ガスマニホー
ルド２９の壁に生成した水滴を傾斜部３６をつたわせて
排除部３７に導き、発電部３３に落下させずに外部に排
除することができる。The operation of the second embodiment of the present invention is as follows. Since the water exchange unit 34 is arranged on the upper side of the stack 23, it is not necessary to provide the water exchange unit 34 in the power generation unit 33 of each cell, the power generation performance is not reduced, and the space efficiency is good. Also, since the gas flow is turned for one turn and the gas flows from the top to the bottom in the gas path 2 on the downstream side where the wetness is high,
Even if water droplets form, they can be blown down,
No gas passage clogging due to water. In FIG. 6,
Since the water exchange membrane 35 has a bellows shape, the surface area of the water exchange membrane 35 increases, and the amount of water permeated from the reacted gas to the unreacted gas can be increased. In FIG. 7, the inclined portion 36 is provided on the wall of the gas flow path of the reacted gas on the upper side of the power generation unit, and the exclusion portion 37 is provided below the lower end of the inclined portion 36, so that the wall of the gas manifold 29 is provided. The generated water droplets can be guided to the elimination unit 37 by connecting the inclined part 36 and can be eliminated to the outside without dropping to the power generation unit 33.
【００３０】[0030]
【発明の効果】請求項１の燃料電池のガス流路によれ
ば、少なくとも１つのガス流路セグメントを通過した既
反応ガスのガス流路と未反応ガスのガス流路とを水交換
膜で隔てたので、既反応ガスの水分が水交換膜を透過し
て未反応ガスに移行し、電解質膜の下流での湿潤過多と
上流での乾燥が共に防止されるとともに、途中部と最上
流との水交換もできて燃料電池の反応面内での水分分布
の均一化もはかることができる。また、水交換膜が飽和
することもないので、半永久的に作動する。また、セル
発電部外に水交換部を設けたので、セル面積からの制限
を受けることなく、高い効率で既反応ガスから未反応ガ
スへの水分移行を行わせることができる。請求項２の燃
料電池のガス流路によれば、各セル内で下流側のガス流
路セグメントと上流側のガス流路セグメントとを隣接さ
せたので、セパレータ内での水分分布を、隣接させない
場合に比べてより一層均一化できる。請求項３の燃料電
池のガス流路によれば、各セル内で下流側のガス流路セ
グメントの通路断面積を上流側のガス流路セグメントの
通路断面積より小としたので、下流での流速低下を防止
でき、下流で液滴が生じても、吹き飛ばすことができ、
液滴による電池性能の低下を防止できる。請求項４の燃
料電池のガス流路によれば、水交換部を燃料電池スタッ
クのターミナルより外側の部分に配置したので、水交換
部を、各セルの発電部に設ける必要がなく、発電性能を
低下させない。また、水交換部を全セルに対して共通に
ターミナルより外側の部分に設けることができるので、
スペース効率がよい。請求項５の燃料電池のガス流路に
よれば、水交換部の既反応ガスのガス流路に流れる既反
応ガスを、セルの最下流から２番目のガス流路セグメン
トを通った後の既反応ガスとしたため、フラッディング
前の最も高い湿度の既反応ガスと未反応ガスとで効率良
く水交換を行わせることができる。請求項６の燃料電池
のガス流路によれば、水交換部をスタックの上側に配置
したので、水交換部を、各セルの発電部内に設ける必要
がなく、発電性能を低下させることがなく、スペース効
率もよい。請求項７の燃料電池のガス流路によれば、ガ
スの流れを１ターンさせ湿潤の高い下流側のガス流路で
はガスを上から下に流すので、たとえ水滴が生成しても
下方に吹き飛ばすことができ、水によるガス通路詰まり
を防止できる。請求項８の燃料電池のガス流路によれ
ば、水交換膜を蛇腹状としたので、水交換膜の表面積を
増大でき、既反応ガスから未反応ガスへの水分透過量を
増大できる。請求項９の燃料電池のガス流路によれば、
発電部の上側の既反応ガスのガス流路の壁に傾斜部を設
け、該傾斜部の下端部の下方に排除部を設けたので、壁
に生成した水滴を傾斜部をつたわせて排除部に導き、発
電部に落下させずに外部に排除することができる。According to the gas flow path of the fuel cell of the first aspect, the gas flow path of the reacted gas and the gas flow path of the unreacted gas that have passed through at least one gas flow path segment are formed by the water exchange membrane. Because of the separation, the moisture of the already reacted gas permeates the water exchange membrane and transfers to the unreacted gas, preventing both excessive wetting downstream of the electrolyte membrane and drying upstream, as well as the middle part and the uppermost stream. Water can be exchanged, and the water distribution on the reaction surface of the fuel cell can be made uniform. Further, since the water exchange membrane does not saturate, it operates semipermanently. In addition, since the water exchange unit is provided outside the cell power generation unit, it is possible to transfer water from the reacted gas to the unreacted gas with high efficiency without being limited by the cell area. According to the gas flow path of the fuel cell of the second aspect, the downstream gas flow path segment and the upstream gas flow path segment are adjacent to each other in each cell, so that the water distribution in the separator is not adjacent. It can be made even more uniform than in the case. According to the gas passage of the fuel cell of the third aspect, the passage cross-sectional area of the downstream gas passage segment is smaller than the passage cross-sectional area of the upstream gas passage segment in each cell. The flow velocity can be prevented from dropping, and even if droplets are generated downstream, they can be blown off,
It is possible to prevent a drop in battery performance due to the droplets. According to the gas flow path of the fuel cell according to the fourth aspect, the water exchange section is disposed outside the terminal of the fuel cell stack, so that the water exchange section does not need to be provided in the power generation section of each cell. Does not decrease. In addition, since the water exchange unit can be provided in a portion outside the terminal in common for all cells,
Space efficient. According to the gas flow path of the fuel cell of the fifth aspect, the reacted gas flowing in the gas flow path of the reacted gas in the water exchange unit is supplied to the gas flow path after passing through the second gas flow path segment from the most downstream of the cell. Since the reactant gas is used, water can be efficiently exchanged between the reacted gas and the unreacted gas having the highest humidity before flooding. According to the gas flow path of the fuel cell according to claim 6, since the water exchange unit is arranged on the upper side of the stack, it is not necessary to provide the water exchange unit in the power generation unit of each cell, and the power generation performance is not reduced. Also, space efficiency is good. According to the gas flow path of the fuel cell according to the seventh aspect, the gas flow is made one turn, and the gas flows from the upper side to the lower side in the highly wet downstream gas flow path. Therefore, clogging of the gas passage due to water can be prevented. According to the gas flow path of the fuel cell of the eighth aspect, since the water exchange membrane has a bellows shape, the surface area of the water exchange membrane can be increased, and the amount of water permeated from the reacted gas to the unreacted gas can be increased. According to the gas passage of the fuel cell of claim 9,
An inclined portion is provided on the wall of the gas flow path of the reacted gas on the upper side of the power generation portion, and an exclusion portion is provided below a lower end portion of the inclined portion. And can be removed to the outside without being dropped into the power generation unit.
【図１】本発明の実施例１、２の燃料電池のガス流路を
備えた燃料電池の全体概略図である。FIG. 1 is an overall schematic diagram of a fuel cell including gas passages of fuel cells according to Examples 1 and 2 of the present invention.
【図２】図１の燃料電池のモジュールの端部とその近傍
の断面図である。FIG. 2 is a sectional view of an end portion of the module of the fuel cell of FIG. 1 and its vicinity.
【図３】本発明の実施例１の燃料電池のガス流路の、セ
パレータの酸化ガス流路側から見た、概略斜視図であ
る。FIG. 3 is a schematic perspective view of a gas flow path of the fuel cell according to the first embodiment of the present invention, as viewed from an oxidizing gas flow path side of a separator.
【図４】図３のスタック端部の断面図である。FIG. 4 is a cross-sectional view of the end of the stack of FIG. 3;
【図５】本発明の実施例２の燃料電池のガス流路の、セ
パレータの酸化ガス流路側から見た、概略正面図であ
る。FIG. 5 is a schematic front view of a gas flow path of a fuel cell according to Embodiment 2 of the present invention, as viewed from an oxidizing gas flow path side of a separator.
【図６】本発明の実施例２の、水交換部を具備する燃料
電池のガス流路の、セパレータの酸化ガス流路側から見
た、概略正面図である。FIG. 6 is a schematic front view of a gas flow path of a fuel cell including a water exchange section according to a second embodiment of the present invention, as viewed from an oxidizing gas flow path side of a separator.
【図７】本発明の実施例２の、図６とは別構造の水交換
部を具備する燃料電池のガス流路の、セパレータの酸化
ガス流路側から見た、概略正面図である。FIG. 7 is a schematic front view of a gas flow path of a fuel cell having a water exchange part having a structure different from that of FIG. 6, viewed from the oxidizing gas flow path side of a separator, according to a second embodiment of the present invention.
【図８】本発明の実施例１、２の燃料電池のガス流路に
おけるセパレータ内ガス流路セグメント間での水分のや
りとりとその前後における膜中水分量を棒グラフであ
る。FIG. 8 is a bar graph showing exchange of moisture between gas passage segments in a separator in gas passages of the fuel cells of Examples 1 and 2 of the present invention, and a moisture content in a membrane before and after the exchange.
【図９】従来の燃料電池のガス流路の問題を模式化して
示した、各ガス流路セグメントでの膜中水分量の棒グラ
フである。FIG. 9 is a bar graph of the water content in the membrane in each gas flow path segment, schematically illustrating the problem of the gas flow path of the conventional fuel cell.
１、２、３ ガス流路セグメント（単にセグメントとも
いう） １０ （固体高分子電解質型）燃料電池 １１ 電解質膜 １２ 触媒層 １３ 拡散層 １４ 電極（アノード、燃料極） １５ 触媒層 １６ 拡散層 １７ 電極（カソード、空気極） １８ セパレータ １８Ａ 冷却用セパレータ １８Ｂ 反応ガス用セパレータ １９ モジュール ２０ ターミナル ２１ インシュレータ ２２ エンドプレート ２３ スタック ２４ 締結部材（テンションプレート） ２５ ボルトまたはナット ２６ 冷却水流路 ２７ ガス流路（発電部のガス流路） ２７ａ 燃料ガス流路 ２７ｂ 酸化ガス流路 ２８ ガス流路（発電部外のガス流路） ２９ ガスマニホールド ３０ ガスマニホールド同士を接続するガス流路 ３１ ガス入口からガスマニホールドに未反応ガスを流
すガス流路 ３２ ガスマニホールドからガス出口に既反応ガスを流
すガス流路 ３３ 発電部（電極に対応する部分） ３４ 水交換部 ３５ 水交換膜 ３６ 傾斜部 ３７ 排除部1, 2, 3 Gas flow path segment (also simply referred to as segment) 10 (Solid polymer electrolyte type) fuel cell 11 Electrolyte membrane 12 Catalyst layer 13 Diffusion layer 14 Electrode (anode, fuel electrode) 15 Catalyst layer 16 Diffusion layer 17 Electrode (Cathode, air electrode) 18 Separator 18A Cooling separator 18B Reaction gas separator 19 Module 20 Terminal 21 Insulator 22 End plate 23 Stack 24 Fastening member (Tension plate) 25 Bolt or nut 26 Cooling water channel 27 Gas channel (power generation unit) 27a Fuel gas flow path 27b Oxidizing gas flow path 28 Gas flow path (gas flow path outside power generation unit) 29 Gas manifold 30 Gas flow path connecting gas manifolds 31 No reaction from gas inlet to gas manifold Gas flow path for flowing gas 32 Gas flow path through which the reacted gas flows from the gas manifold to the gas outlet 33 Power generation unit (part corresponding to the electrode) 34 Water exchange unit 35 Water exchange membrane 36 Inclined unit 37 Exclusion unit
Claims (9)
連通しない複数のガス流路セグメントに分け、該ガス流
路セグメントを発電部外のガス流路で直列に接続した燃
料電池のガス流路であって、前記発電部外に、少なくと
も１つのガス流路セグメントを通過した既反応ガスのガ
ス流路とガス流路セグメントに流入する前の未反応ガス
のガス流路とを水分透過性のある水交換膜で隔てた構造
をもつ水交換部を設けたことを特徴とする燃料電池のガ
ス流路。1. A fuel cell according to claim 1, wherein the gas flow path of the power generation section of each cell is divided into a plurality of gas flow path segments which are not connected to each other in the power generation section, and said gas flow path segments are connected in series by gas flow paths outside the power generation section. A gas flow path, in which the gas flow path of the reacted gas that has passed through at least one gas flow path segment and the gas flow path of the unreacted gas that has not flowed into the gas flow path segment, A gas flow path for a fuel cell, comprising a water exchange part having a structure separated by a permeable water exchange membrane.
と上流側のガス流路セグメントとを隣接させた請求項１
記載の燃料電池のガス流路。2. The gas flow segment on the downstream side and the gas flow segment on the upstream side in each cell are adjacent to each other.
A gas flow path for the fuel cell according to any one of the preceding claims.
の通路断面積を上流側のガス流路セグメントの通路断面
積より小とした請求項１記載の燃料電池のガス流路。3. The gas flow path for a fuel cell according to claim 1, wherein the cross-sectional area of the downstream gas flow path segment in each cell is smaller than the cross-sectional area of the upstream gas flow path segment.
ーミナルより外側の部分に配置した請求項１記載の燃料
電池のガス流路。4. The gas flow path for a fuel cell according to claim 1, wherein the water exchange section is disposed outside a terminal of the fuel cell stack.
が、セルの最下流から２番目のガス流路セグメントを通
った後の既反応ガスが流れる既反応ガスのガス流路であ
る請求項４記載の燃料電池のガス流路。5. The gas passage of the reacted gas in the water exchange section is a gas passage of the reacted gas through which the reacted gas flows after passing through the second gas passage segment from the lowermost stream of the cell. A gas flow path for the fuel cell according to claim 4.
料電池のガス流路。6. The gas flow path for a fuel cell according to claim 1, wherein the stack is placed horizontally, and the water exchange section is arranged above the stack.
流路から発電部に入れ既反応ガスにして発電部の上側に
位置する既反応ガスのガス流路に流し、該既反応ガスを
前記発電部の上側の既反応ガスのガス流路で１ターンさ
せて発電部に入れて発電部の下側の既反応ガスのガス流
路に流す流路構造とし、 前記発電部の上側の既反応ガスのガス流路を、前記発電
部の下側に位置する未反応ガスのガス流路に未反応ガス
を送る未反応ガスのガス流路と前記水交換膜を介して隔
てた請求項６記載の燃料電池のガス流路。7. An unreacted gas is introduced into a power generation unit from a gas flow path of an unreacted gas located below the power generation unit to form a reacted gas, and the reacted gas located above the power generation unit is disposed. And the reacted gas is turned one turn in the gas flow path of the reacted gas on the upper side of the power generation unit, and is put into the power generation unit and flown in the gas flow path of the reacted gas on the lower side of the power generation unit. With a flow path structure, the gas flow path of the reacted gas on the upper side of the power generation unit, the gas flow path of the unreacted gas that sends the unreacted gas to the gas flow path of the unreacted gas located below the power generation unit 7. The gas flow path for a fuel cell according to claim 6, separated by the water exchange membrane.
合よりも表面積を大とした請求項７記載の燃料電池のガ
ス流路。8. The gas flow path for a fuel cell according to claim 7, wherein the water exchange membrane has a bellows shape and has a larger surface area than a flat surface.
路の壁に該壁に結露する水分を壁につたわせる傾斜部を
設け、該傾斜部の下端部の下方に該傾斜部で集められた
水をセル発電部に落下させることなく排除する排除部を
設けた請求項６記載の燃料電池のガス流路。9. An inclined portion for supplying moisture condensed on the wall to the wall of the gas flow path of the reacted gas on the upper side of the power generation unit, and the inclined portion is provided below the lower end of the inclined portion. 7. The gas flow path for a fuel cell according to claim 6, further comprising an elimination unit that eliminates the collected water without falling into the cell power generation unit.
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